粘土矿物负载纳米零价铁对重金属铬的修复及共迁移的机理研究
作者单位：苏州科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：冯芳;徐楠;程功弼
授予年度：2021年
摘 要：铬(Cr)是引起严重的全球环境污染的常见微量金属之一,主要以金属铬、三价铬(Cr(III))和六价铬(Cr(VI))的形式存在于环境中,其中六价铬(Cr(VI))的毒性和危害最大,Cr(VI)可以在土壤和地下水中累积,并通过食物链将其转移给人类,因此,修复环境中的Cr(VI)至关重要。作为一种有效的修复材料,具有典型核壳结构的纳米零价铁(nZVI)可以与各种环境污染物发生反应。但是,nZVI易被氧化和聚集而阻碍了nZVI的反应性,因此需要对nZVI进行修饰或者改性。近年来,利用植物提取物和其他可再生生物资源的绿色合成方法因高效性和生态友好性受到越来越多的关注。在这些植物提取物中,绿茶提取物因富含活性多酚和咖啡因,已成为绿色合成中较为优质的还原剂和稳定剂,目前,对绿茶提取物绿色合成nZVI的深入研究还很有限。粘土矿物是一种极好的支撑材料,由于其结构稳定且成本低廉,可以提高nZVI的稳定性。本课题通过加入不同粘土矿物(粉煤灰,coal fly ash,CFA;海泡石,sepiolite,SPT)负载,提高nZVI材料的分散性、稳定性、迁移性和反应活性,同时探究环境因子(材料的剂量、迁移的流速以及环境中的其它粘土矿物)对粘土矿物负载纳米零价铁修复Cr(VI)以及共迁移的影响。实验得到的结论如下:(1)研究了粉煤灰负载的纳米零价铁(CFA-nZVI)在不同电解质溶液中的迁移性以及修复Cr(VI)的反应机理。CFA的负载大大提高了nZVI的反应活性,增大了nZVI颗粒之间的距离,提高了nZVI的分散性能。同时探究了不同负载比的CFA-nZVI对Cr(VI)的修复去除效果,研究发现,CFA-nZVI与Cr(VI)之间的反应在180min时达到平衡,CFA-nZVI对Cr(VI)修复分为吸附和还原两部分。粉煤灰的纳米零价铁材料比单独绿色合成的纳米零价铁材料修复重金属的能力强,负载比为Fe:CFA=10:1时,CFA-nZVI对Cr(VI)的修复效果最佳,修复量最大可达到306.5 mg·g,其中对应的还原量为190.45 mg·g,吸附量为116.12 mg·g,还原起主要的作用。还分析了CFA-nZVI在多孔介质中的迁移,离子强度的增大,纳米颗粒之间的双电层被压缩,斥力减小,颗粒之间极易团聚,从而抑制了CFA-nZVI在多孔介质中的迁移。(2)研究了环境因子对CFA-nZVI在多孔介质中的迁移以及修复Cr(VI)的影响。CFA-nZVI剂量的增加,减小了多孔介质中孔隙率,增大了多孔介质中CFA-nZVI的浓度,促进了纳米颗粒在多孔介质中的团聚效应,抑制了CFA-nZVI在多孔介质中的迁移,又因剂量的增加,提高了纳米颗粒与Cr(VI)的接触反应时间和接触几率,因此提高了多孔介质中CFA-nZVI修复Cr(VI)的效果。迁移过程中流速的增加,减弱了CFA-nZVI纳米颗粒与多孔介质之前的吸引力,从而促进了CFA-nZVI的迁移,但是降低了CFA-nZVI与Cr(VI)的反应时间,使得在多孔介质中CFA-nZVI修复Cr(VI)的效果降低。粘土矿物减小了多孔介质中的孔隙率,增大了纳米颗粒间的吸引力,从而抑制了CFA-nZVI的迁移,其中抑制效果为高岭土蒙脱土硅藻土。又由于片层结构的蒙脱土和高岭土降低了CFA-nZVI与Cr(VI)的接触反应几率,抑制了多孔介质中CFA-nZVI对Cr(VI)的修复效果,而硅藻土由于增大了CFA-nZVI与Cr(VI)有效的接触面积,从而促进了CFA-nZVI对Cr(VI)的修复。(3)选择海泡石作为载体,同样用绿色方法合成出海泡石负载纳米零价铁(SPT-nZVI),提高了纳米零价铁的反应活性与分散性能。改变纳米零价铁与海泡石的负载比,探究了最佳负载比例为Fe:SPT=10:1时,SPT-nZVI对Cr(VI)的修复效果最佳,在整个过程中,SPT-nZVI对Cr(VI)的还原作用大于吸附作用。研究了粘土矿物对SPT-nZVI修复Cr(VI)的影响,在Na Cl电解质中,粘土矿物对Cr(VI)的修复没有影响,在Ca Cl电解质中,蒙脱土对SPT-nZVI修复Cr(VI)有促进作用,高岭土和硅藻土对Cr(VI)的修复没有显著的影响,另外,粘土矿物也会提高了SPT-nZVI的悬浮稳定性。在Na Cl电解质中,蒙脱土因其特殊的片层结构在多孔介质中对SPT-nZVI产生了掩蔽作用,抑制了SPT-nZVI与Cr(VI)的共迁移,也抑制了SPT-nZVI对Cr(VI)的修复。硅藻土和高岭土对SPT-nZVI与Cr(VI)的共迁移没有影响,对SPT-nZVI对Cr(VI)的修复有明显的促进了作用,并且促进效果为高岭土硅藻土。在Ca Cl电解质中,蒙脱土和高岭土对SPT-nZVI的共迁移以及Cr(VI)的修复没有明显的影响,硅藻土会抑制SPT-nZVI的共迁移以及对Cr(VI)的修复。
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