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氯代有机污染物(OCPs)是一类具有高毒性、持久性且难以生物降解的环境有害物质。纳米技术的发展给有机氯污染物的降解带来了一种新的颇具潜力的方法,即应用纳米铁颗粒对有机氯化物进行脱氯降解。本文首先对纳米铁颗粒降解有机氯化合物的研究进展做了详细的综述,其中包括纳米铁金属颗粒的合成与修饰,表征方法,环境应用,并对该项技术的发展前景及今后的研究方向进行总结和讨论;其次本研究使用商业购买的纳米铁颗粒以及实验室合成的纳米钯化铁颗粒,通过批量动力学实验的方法,对环境中普遍存在的典型有机氯污染物进行脱氯降解研究,为阐明其动力学过程和降解机制提供实验依据,得出的主要结论如下:
1.体系pH显著影响纳米铁对六氯苯(HCB)的吸附特性。近中性条件下,Tris缓冲液比纯水体系具有更好的吸附效果;而在酸性和碱性条件下,纳米铁对HCB的吸附性能明显降低。不同处理之间纳米铁对HCB的吸附平衡时间基本在8h左右,没有显著的差异性。
2.纳米铁对1,2,4,5-四氯苯(1,2,4,5-TeCB)的降解效果并不显著,纳米钯化铁却能够迅速降解1,2,4,5-TeCB,降解率高达90%,半衰期仅为6h,说明纳米钯化铁比纳米铁具有更好的还原脱氯活性,但是六氯苯、五氯苯(PeCB)较难被纳米钯化铁降解,降解率仅为25%左右;改变反应体系,增加溶质传输速率能够显著促进脱氯反应的发生;降解产物的唯一性说明了纳米铁对氯苯类化合物脱氯点位的专一性,我们认为高氯苯降解产物的分布规律主要是由于氯原子的空间位阻效应导致其脱氯具有很强的选择性。
3.纳米铁用量以及反应体系pH条件显著影响p,p-DDT降解效果。总体来说,随着纳米钯化铁用量的增加,p,p-DDT的降解率显著增加且铁的用量和反应速率之间有较好的相关性;相同用量条件下,纳米钯化铁比单纯的纳米铁具有更高的反应活性;另外在酸性条件下,纳米钯化铁具有极高的降解活性,能够在20min内彻底降解p,p-DDT及其降解产物p,p-DDD和p,p-DDE;相反,在碱性条件下,铁氧化物沉淀的生成显著抑制了纳米铁的降解活性;DDD的积累反映了Pd/Fe对DDT和DDD的降解不是同时进行,而是分步进行。
4.纳米铁表面的直接电子转移以及氢气的催化还原是纳米铁降解OCPs的主要机制,纳米铁对OCPs的降解率受体系氢气条件的影响较小,而纳米钯化铁降解率受体系氢气分压的影响较为显著;纳米铁降解主要是表面电子的直接转移作用,而在纳米钯化铁体系中,氢气的催化还原起主导作用,铁表面的直接电子转移作用次之。
5.在催化剂存在的条件下,体系顶空氢气分压对降解速率的影响显著;氢气在气-液两相之间达到平衡所需时间直接影响其在纳米铁固体表面的吸附速率,从而影响反应速率。
6.纳米铁和钯化铁对OCPs降解反应符合准一级动力学特征;纳米铁对非芳香烃类氯化物的降解效果明显优于芳香烃类化合物。