颗粒活性炭负载纳米零价铁去除NDMA和NDEA的研究

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亚硝胺(N-nitrosamines,NAs)是一类具有氮氧双键结构的小分子有机化合物,作为水体消毒副产物,NAs在氯,氯胺和臭氧等消毒处理后的水体中广泛检出。鉴于亚硝胺存在的广泛性及强致癌性,对环境中此类物质的控制研究成为当前环境领域的热点和前沿课题之一。本文介绍了亚硝胺的研究背景,形成机理以及去除方法,提出利用颗粒活性炭负载纳米零价铁去除典型亚硝胺的研究。主要内容是用化学液相还原方法制备颗粒活性炭负载型纳米零价铁材料,并对材料进行X射线衍射(XRD),电子扫描显微镜(SEM)和氮气吸附(BET)表征分析。以亚硝基二甲胺(NDMA)和亚硝基二乙胺(NDEA)为研究对象,考察不同材料,nZVI/GAC的投加量,溶液初始pH,不同DO浓度,初始NDMA和NDEA浓度以及HA对去除NDMA和NDEA效果的影响,分别用伪一级动力学方程和伪二级动力学方程对数据进行拟合,通过速率常数K和初始速率常数h,研究不同因素对反应速率的影响。本研究主要结论如下:(1)通过XRD表征分析,GAC和nZVI/GAC在2θ=22°30°之间出现了不定型活性炭的衍射峰;nZVI/GAC和nZVI在2θ=43°45°之间均出现了α-Fe特征峰。通过SEM表征分析,颗粒活性炭具有丰富的孔结构,孔道分布紧密有序;纳米零价铁颗粒呈链状,团聚现象很严重,纳米零价铁颗粒的直径在53.1 nm到59.0 nm之间;纳米零价铁颗粒在颗粒活性炭上分布均匀,大部分镶嵌到活性炭表面,有一部分纳米零价铁颗粒被负载到颗粒活性炭的孔道内。通过BET表征分析,GAC和nZVI/GAC的氮气吸附曲线均是Ⅳ型等温线。负载纳米零价铁后颗粒活性炭的比表面积降低44.2 m3/g,微孔面积降低13.2 m3/g,大孔面积降低31.0 m3/g。大孔面积显著降低说明大部分的纳米零价铁被负载到颗粒活性炭的大孔内。(2)GAC,nZVI和nZVI/GAC对NDMA的去除率分别为42.3%,8.9%和74.8%;对NDEA的去除率分别为56.8%,12.4%和89.8%。nZVI/GAC对NDMA和NDEA的去除率显著高于GAC和nZVI作用之和,表明GAC和nZVI共同作用对NDMA和NDEA的去除具有协同增强效应。GAC,nZVI和nZVI/GAC对NDMA和NDEA的去除反应均符合伪二级动力学方程(R22>0.994),这说明去除过程以化学吸附机理占主导。nZVI/GAC,GAC和nZVI去除NDMA和NDEA的初始吸附速率常数h逐渐减小。(3)NDMA和NDEA的去除率随nZVI/GAC投加量增大而升高。不同nZVI/GAC投加量对NDMA和NDEA的去除反应均符合伪二级动力学方程(R22>0.996)。随着nZVI/GAC投加量的增加,初始速率常数h逐渐变大。(4)nZVI/GAC对NDMA和NDEA的吸附量随着NDMA和NDEA初始浓度的增加而上升。伪二级动力学方程能更好的拟合nZVI/GAC对不同初始浓度NDMA和NDEA去除过程(R22>0.99)。随着NDMA和NDEA初始浓度的增高,初始速率常数h逐渐变大。(5)随着pH值的升高,nZVI/GAC对NDMA和NDEA的去除率逐渐降低。(6)随着DO浓度的增加nZVI/GAC对NDMA和NDEA的去除逐渐降低。伪二级动力学能够更好地拟合不同DO浓度下nZVI/GAC对NDMA和NDEA的去除过程,(R22>0.998)。随着DO浓度的增大,nZVI/GAC对NDMA和NDEA去除的伪二级初始速率常数h逐渐变小。(7)HA对nZVI/GAC去除NDMA和NDEA影响较大,添加HA时其去除率分别降低32.3%和36.6%。此去除反应符合伪二级动力学(R22>0.997),但初始速率常数h变小。
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