骨炭负载纳米零价铁高效去除水体中的六价铬

作     者：田庆文 

作者单位：佛山科学技术学院 

学位级别：硕士

导师姓名：聂呈荣;李芳柏

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：骨炭 纳米零价铁 Cr(VI) 水处理 

摘      要：重金属铬(Cr)是一种常见的水污染物,由于采矿、冶金、电镀、化工等人为活动不可避免地向自然环境中排放重金属铬,导致地下水和农业灌溉水受到严重污染,影响到农产品安全。Cr在水体中主要以六价和三价存在,其中六价铬Cr(VI)比三价铬Cr(III)毒性更大,对环境和人体健康危害更加严重。因此,本文通过化学方法将纳米零价铁(NZVI)负载在高比表面积的骨炭(BC)表面,制备出一种新型骨炭负载纳米零价铁(BC-NZVI)复合材料,利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS),扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱FTIR)对BC-NZVI材料进行固相表征分析,并在厌氧条件下,研究了不同NZVI负载量、不同炭基材料对Cr(VI)吸附动力学、吸附等温线,同时探讨了不同p H值和不同干扰离子等关键因子对Cr(VI)去除的影响,最后结合反应后BC-NZVI的XPS、XRD表征揭示出BC-NZVI对Cr(VI)去除的反应机理。具体研究结果如下:(1)以牛骨粉为原料在950℃条件下高温热解,并用HCl处理后得到的骨炭(BC)具有高比表面积(1002.6 m/g)、多孔结构、成本低廉。制备出的骨炭负载纳米零价铁(BC-NZVI),XRD结果分析表明,NZVI成功的负载到BC表面。通过SEM图可见,负载到骨炭表面的NZVI,能够有效的提高NZVI的分散性和稳定性。(2)Cr(VI)吸附动力学研究表明,BC-NZVI能够在厌氧条件下高效去除Cr(VI),并且随着NZVI负载量增加,BC-NZVI对Cr(VI)的去除率也随之增加,但由于单独BC对Cr(VI)去除率几乎为0,因此可将Cr(VI)去除量归一化到NZVI时,归一化后当NZVI负载量为15%对Cr(VI)吸附量最大。此外,归一化后BC-NZVI对Cr(VI)的去除量明显高于单独NZVI与BC之和,表明BC负载NZVI对Cr(VI)的去除呈现出明显的协同效应,其原因一方面是BC能够明显的提高NZVI的分散性;另一方面骨炭XRD结果表明具有高石墨化,能够促进电子传递,提高了NZVI反应活性和与Cr(VI)的接触,从而提高了Cr(VI)去除效率。(3)不同炭基材料对比研究结果表明:BC-NZVI15对Cr(VI)的去除率明显高于生物炭(B-NZVI)和活性炭(AC-NZVI),说明BC和NZVI之间对Cr(VI)去除的协同效应明显大于生物炭(B)和活性炭(AC);当NZVI负载量为15%时,通过吸附等温线拟合,BC-NZVI15对Cr(VI)最大吸附量为77.43 mg/g,归一化到NZVI为516.2 mg/g。(4)关键环境因子实验结果表明随着反应溶液p H升高,BC-NZVI15对Cr(VI)的去除率呈现出逐渐下降趋势,并且反应后提高了溶液p H值;此外不同干扰离子研究结果表明当反应体系中存在腐殖酸(HA)、PO、CO时,BC-NZVI15对Cr(VI)的去除受到抑制作用,并且随着其浓度抑制作用也增加,因此在实际应用过程中需要考虑HA、PO、CO的影响。(5)通过对应后的BC-NZVI15的XRD、FITR、XPS固相表征分析,揭示出,BC-NZVI15对Cr(VI)的去除存在两个过程,一方面当BC表明NZVI腐蚀后产生铁矿物能够直接固定Cr(VI),另一方面NZVI能够将Cr(VI)还原为Cr(III),在于铁工沉淀,生成晶体CrFe O。总结表明,本文制备出一种新型BC-NZVI,在厌氧条件下能够快速、高效去除和还原水体中Cr(VI),并且揭示出其反应机理。同时BC-NZVI也是一种环境友好型新材料,因此本研究为厌氧水体Cr(VI)污染修复提供一种有效的环境友好型材料。