nZⅥ-Cu双金属活化过硫酸盐去除水中重金属和抗生素的研究

作     者：褚蓉洁 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：屈广周

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：纳米零价铁 双金属 过硫酸盐 Cr(Ⅵ) TCH 

摘      要：水体污染状况日益复杂,威胁生态环境与人类健康发展。近年来,基于硫酸根自由基(SO·)的过硫酸盐(PS)高级氧化技术迅速发展起来,并且逐渐成为处理水中有机污染物的研究热点。过硫酸盐在环境中比较稳定,需要通过活化来产生SO·,而纳米零价铁(nZⅥ)可以作为Fe释放源活化PS产生SO·。此外,nZⅥ还具有强还原性与反应速度快等特点,被广泛应用于修复水体中重金属污染。但nZⅥ本身存在一定的缺点,如易发生团聚现象与自身易钝化等,在一定程度上限制了它的反应活性,影响对污染物的处理效果。因此,对nZⅥ进行一定的修饰能够防止nZⅥ团聚且提高它的反应活性,负载金属铜(Cu)于nZⅥ颗粒表面,获得纳米双金属复合材料(nZⅥ-Cu),减小了nZⅥ的团聚,并促进了电子转移从而加快反应速率。基于此,本研究利用nZⅥ-Cu双金属活化PS(nZⅥ-Cu/PS)处理Cr(Ⅵ)与盐酸四环素(TCH)废水。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)等方法对制备的nZⅥ及nZⅥ-Cu双金属材料进行表征,探究nZⅥ-Cu活化PS去除水中Cr(Ⅵ)与TCH的影响因素,并探讨了去除Cr(Ⅵ)与TCH复合污染的反应过程与作用机制。具体研究结果如下:1.通过液相还原法制备nZⅥ与nZⅥ-Cu双金属材料。由FESEM、TEM、XRD和XPS等表征手段分析nZⅥ、及nZⅥ-Cu活化PS后的形貌与结构可知:单个的nZⅥ呈球状核壳结构,整体为链状且易团聚,负载Cu后的nZⅥ团聚现象减少。nZⅥ-Cu双金属活化PS后nZⅥ表面边缘呈碎片化,但其中心特有的核结构没有发生改变。***Ⅵ-Cu/PS在可渗透反应柱中能够快速高效的去除水中Cr(Ⅵ)与TCH,于nZⅥ表面负载Cu不仅提高了nZⅥ的分散及稳定性,还促进nZⅥ对PS的活化,从而提高了对污染物的处理效果。但Cu的负载率具有一定限值,分别负载3.0 wt%和1.0 wt%的Cu对Cr(Ⅵ)和TCH的去除效果最佳。在nZⅥ-Cu/PS去除水中Cr(Ⅵ)与TCH的影响因素中:pH值为3.0时nZⅥ-Cu/PS对水中Cr(Ⅵ)与TCH的去除效率最佳;随着初始Cr(Ⅵ)与TCH浓度的增加,nZⅥ-Cu/PS对Cr(Ⅵ)与TCH的去除效率逐渐减小。溶液中HCO、NO及Cl等离子的存在对Cr(Ⅵ)的去除均有抑制作用,且随着共存离子浓度的增大抑制愈明显,Ca离子的存在对Cr(Ⅵ)的去除具有一定促进作用。3.通过nZⅥ-Cu/PS处理水中Cr(Ⅵ)与TCH的复合污染,当nZⅥ-Cu(3.0 wt%)与PS的投加比例为7:1时,反应60 min后水中TCH与Cr(Ⅵ)的去除率都能达到100%;酸性环境更有利于nZⅥ-Cu/PS对Cr(Ⅵ)与TCH复合污染物的去除。通过XPS等分析结果表明,nZⅥ-Cu/PS去除Cr(Ⅵ)主要是通过吸附还原共沉淀的方式,nZⅥ-Cu双金属促进了nZⅥ对Cr(Ⅵ)的还原。TCH的去除是通过nZⅥ-Cu与PS的联合协同作用,nZⅥ被氧化生成Fe激活PS产生氧化性自由基·OH与SO·,利用自由基氧化降解TCH,自由基捕获实验表明:SO·在去除TCH的氧化降解反应中起主导作用。nZⅥ-Cu双金属促进了nZⅥ对PS的活化作用,使活化反应更持续,从而提高过硫酸盐的利用率。