纳米零价铁去除硝基苯及其表面调控

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硝基苯类化合物是广泛应用的化工原料,在国防、印染、塑料、农药和医药工业等方面均具有广泛应用。但因其难生物降解,具有致癌性和致基因突变性,世界上很多国家都将其列为优先控制的环境污染物。零价铁还原法具有无毒、有效、二次污染少等优点,且零价铁与污染物间的反应主要在表面上进行。因此,采用吸附性能更好的纳米零价铁(NZVI)可明显提高对污染物的还原能力。  本论文通过FeSO4·7H2O与KBH4反应,采用液相还原法制备纳米零价铁(NZVI),并用XRD,SEM对其性能进行表征。以硝基苯作为目标污染物,对NZVI去除硝基苯模拟废水进行批试验研究,考察NZVI去除硝基苯的动力学行为,及硝基苯初始浓度、NZVI用量和不同pH值条件对硝基苯去除率的影响。  对几种有机小分子酸及其盐对NZVI去除硝基苯反应的影响进行批试验研究,并对其表面调控作用与机理进行分析。同时,选用具有良好吸附性能和离子交换性能的膨润土作为载体制得膨润土负载型纳米零价铁,研究膨润土负载纳米铁去除硝基苯的动力学行为,以及小分子酸及盐对负载铁去除硝基苯的表面调控作用与机理分析,取得如下研究结果:  1、在pH值为6.8时,对于100mL浓度为60mg/L的硝基苯模拟废水,当NZVI投加量为0.3g/L时,60min内去除率达到97.74%,说明NZVI是一种良好的硝基苯去除剂;NZVI去除硝基苯反应符合准一级动力学方程,表面反应是反应速率的控制步骤;NZVI对硝基苯的去除率随Fe0投加量增加而增加,随硝基苯初始浓度增加而减小,随pH值增加而减少。  2、通过采用紫外可见光谱(UV-Vis)和高效液相色谱(HPLC)分析检测硝基苯与主要产物苯胺的浓度变化,结果显示:随着反应进行,硝基苯浓度逐渐减小,而主要产物苯胺浓度逐渐增大,说明在纳米零价铁表面发生了反应ArNO2+3Fe0+6H+→ArNH2+3Fe2++2H2O。  3、反应体系中柠檬酸钠、草酸钠、草酸的存在对NZVI去除硝基苯具有抑制作用,而不同浓度的柠檬酸和乙二胺四乙酸二钠对NZVI还原去除硝基苯呈现不同的变化规律:低浓度时会抑制NZVI对硝基苯的去除率,而高浓度时则可提高硝基苯的去除率。其影响机理主要表现在以下几个方面:(1)酸中的H+会溶解NZVI表面的氧化膜以促进表面反应进行;(2)酸根离子与Fe(Ⅱ)的配位作用使沉积在零价铁表面的Fe(Ⅱ)迁移到溶液中,增加了零价铁表面的活性位点,从而提高了零价铁的还原作用;(3)小分子酸及其盐的加入,对NZVI去除硝基苯存在竞争吸附,从而降低硝基苯的去除率。  4、膨润土负载纳米零价铁对硝基苯的去除行为符合Langmuir-Hinshelwood模型;负载铁对硝基苯的去除率随投加量的增加而增加,随硝基苯初始浓度的增加而减少;乙二胺四乙酸二钠、草酸钠、柠檬酸、草酸可促进B-NZVI对硝基苯的去除率,柠檬酸钠则抑制其去除率,其机理与膨润土和有机配体对纳米零价铁的表面双重调控作用有关。
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