生物质基泡沫碳的制备及对环境中多环芳烃和镉污染治理的研究

作     者：李常裕 

作者单位：山东农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：艾仕云;时伟杰

授予年度：2022年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0703[理学-化学] 

主      题：泡沫碳 多环芳烃 镉 土壤修复 复合污染 

摘      要：多环芳烃(PAHs)和重金属镉(Cd)是土壤中常见的两类污染物,具有致癌性和高毒性,对生态系统及人类健康有着不可忽视的潜在风险。目前针对单一有机物或重金属污染土壤的修复研究已经较为成熟,但由于有机污染物和重金属之间理化性质差别较大,作用机制较为复杂,导致对重金属-有机复合污染物的治理研究相对较少,土壤修复机理尚不明确。因此开发绿色环保、经济高效的土壤复合污染修复技术具有十分重要的意义。本文以农林废弃物松果为前驱体,通过掺杂杂原子和负载纳米粒子等方式制备了不同的功能性泡沫碳材料,实现了对水和土壤中多环芳烃类污染物荧蒽、萘以及重金属Cd的高效治理。探讨了材料的形貌结构及不同反应条件对污染物吸附降解性能的影响,阐明了材料吸附重金属和活化PMS降解有机污染物的反应机制,研究了修复体系对环境质量及生态功能的影响。主要内容包括以下两部分:(1)以农林废弃物松果为主要前驱体,采用原位浸渍和独特的煅烧工艺制备了氮掺杂泡沫碳负载纳米铁(Fe@CF-N)复合材料,用于活化过一硫酸盐(PMS)降解水和土壤中的荧蒽(FLT)。通过SEM、TEM、EDS-mapping、BET、XRD、XPS等分析技术对Fe@CFN样品进行了表征,并通过对水和土壤中荧蒽的降解实验研究了材料的吸附催化性能。结果表明,Fe@CF-N具有三维网状结构,比表面积为294.0 m2.g-1。同时,材料表现出优异的催化性能,可有效活化PMS降解FLT。在反应180分钟内,Fe@CF-N/PMS体系对水和土壤中荧蒽的最大去除率分别为81.83%和78.12%。经过四次循环利用后,Fe@CF-N对水中FLT的去除率仍达到55%。自由基猝灭结果表明,硫酸根自由基(SO4-.)、羟基自由基(.OH)和单线态氧(1O2)是降解反应的主要活性氧物种(ROS)。同时,在荧蒽的降解过程中产生了低分子量的中间体,如邻苯三酚(C6H6O3)和1,3-丙二醇(C3H8O2)等。以豌豆为实验对象,研究了Fe@CF-N/PMS体系对土壤环境质量及植物毒性的影响。结果表明,经过Fe@CF-N/PMS体系修复后,土壤中豌豆的种子发芽率、茎长和根长与未污染的土壤相比没有显著差异。本研究为水和土壤中多环芳烃污染物的治理提供了一种经济有效的修复方法。(2)以松果为主要前驱体,通过曼尼希反应和高温碳还原反应制备了具有核壳结构的掺氮泡沫碳负载纳米零价铁(n ZVI@NCF)材料,用于同时修复水和土壤中的Cd(II)–萘(NAP)复合污染。研究结果表明,在最佳条件下,n ZVI@NCF对水和土壤中Cd(II)的吸附量分别为13.9 mg.g-1和1.97 mg.g-1,吸附速率符合准二级动力学模型。同时,n ZVI@NCF对水中NAP的降解率接近100%,对土壤中NAP的降解率可达59.12%。此外,在Cd(II)-NAP复合污染中,与Cd(II)共存的NAP会竞争n ZVI@NCF材料表面的吸附位点,从而抑制材料对Cd(II)的吸附;而与NAP共存的Cd(II)则可通过n ZVI-Cd的双金属效应和Cd(II)的促氧化作用产生更多的ROS,提升n ZVI@NCF/PMS体系对NAP的降解。自由基猝灭实验证明在降解过程中产生的超氧自由基(.O2-)是介导n ZVI/Fe2+/Fe3+电子转移活化PMS氧化降解NAP的主要自由基。植物毒性实验结果表明,n ZVI@NCF/PMS体系能够有效修复Cd(II)-NAP复合污染的土壤,并显著改善土壤的环境质量。这项研究为环境中重金属-有机物复合污染的高效治理提供了新型材料和修复技术。