改性纳米零价铁去除多氯联苯-重金属复合污染的研究

作     者：楼轶玲 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：楼莉萍

授予年度：2019年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：纳米零价铁 硫化纳米零价铁 稳定纳米零价铁 多氯联苯 重金属 复合污染 

摘      要：随着电子产品的高速消费,电子垃圾已成为一个紧迫的全球性环境问题。传统的电子垃圾拆解活动在带来巨大利润的同时也造成了严重的环境污染,其中最为严峻的是多氯联苯(Polychorinatedbiphenyls,PCBs)-重金属复合污染,而国内外对这方面的修复研究很少。纳米零价铁(Nanoscale zero-valent iron,nZVI)及其改性材料作为绿色、经济的新型材料,具有同时去除PCBs和重金属的能力。本文以电子垃圾拆解区检出量较高的2,2’,4,4’5,5’-六氯联苯(PCB153)和重金属Cu、Ni作为目标污染物,考察了 nZVI、硫化纳米零价铁(S-nZVI)和羧甲基纤维素稳定纳米零价铁(CMC-nZVI)对单一 PCBs、重金属污染以及PCBs-重金属复合污染的去除效果,研究了 pH、阴离子和腐殖酸等因素对两类污染物去除的影响以及复合污染体系下PCBs和重金属之间的相互影响,探讨了反应机理和影响机制。主要结论如下:(1)制备了三种纳米零价铁材料:采用液相还原法制备了 nZVI和CMC-nZVI(CMC 浓度为 1.00 g·L),一步合成法制备了 S-nZVI(S/Fe 比为 0.103)。三种材料的晶体结构均为α-Fe,S-nZVI的粒径比nZVI和CMC-nZVI稍大,其表面为铁氧化物和铁硫化物层,nZVI和CMC-nZVI表面为铁氧化物层。(2)三种材料对PCB153的降解反应活性依次为CMC-nZVInZVI≈S-nZVI,其准一级动力学常数kobs分别为0.016、0.006、0.005h-1,降解机理为氢解反应,反应产物为四氯联苯。S-nZVI对PCB153的低反应活性可能是铁硫化物的产生消耗了 Fe导致的,而CMC-nZVI的高反应活性可能与CMC的分散作用有关。低pH条件能提高nZVI、CMC-nZVI降解PCB153的活性,而抑制了 S-nZVI的活性。NO3-和腐殖酸对三种材料降解PCB153起到了抑制作用,Cl-则起到了促进作用。(3)三种材料对Cu的去除反应活性依次为CMC-nZVIS-nZVInZVI,其准一级动力学常数kobs分别为2.890、1.919、1.384 min-1,去除机理主要为还原;对Ni的去除反应活性依次为S-nZVICMC-nZVInZVI,其准一级动力学常数kobs分别为0.931、0.360、0.304 min-1,去除机理为吸附和还原。三种材料去除Cu、Ni的最适pH分别为5和6。阴离子和腐殖酸对三种材料去除Cu、Ni的影响规律大致上与PCB153相似。三种材料对Cu的去除速率高于Ni,但更易受上述因素的影响。(4)PCBs-重金属复合污染体系中,PCB153对三种材料去除Cu、Ni的影响较小,PCB153未对纳米零价铁与重金属污染物之间的电子传递起到明显的阻碍作用;Cu对nZVI降解PCB153反应起到了促进作用,对S-nZVI和CMC-nZVI降解PCB153反应起到了抑制作用,Ni对三种材料降解PCB153均起到了促进作用。XPS和电化学分析表明,Cu、Ni对不同纳米零价铁脱氯反应的影响可能与Cu0、Ni0在纳米零价铁表面的沉积以及电子转移能力的改变有关。综上所述,三种材料对单一 PCBs、重金属污染以及PCBs-重金属复合污染的去除效果不同:对于PCB153、Cu,CMC-nZVI的反应活性较高;对Ni,S-nZVI的反应活性较高;对于PCBs-重金属的复合污染,CMC-nZVI的反应活性较高。PCBs对纳米零价铁去除重金属的影响较小,而重金属对PCBs的降解有一定的影响。该研究为纳米零价铁修复PCBs-重金属复合污染提供了一定的理论依据。