氢氧化镁负载纳米零价铁复合材料的制备及其在含铅废水处理中的应用研究

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以铅为代表的重金属水体污染已成为当今威胁人类可持续发展的严重环境问题。纳米零价铁(nZVI)材料由于具有粒径小、比表面积大、反应活性高、价廉易得、本身及其氧化产物对环境友好等显著优点,在水污染修复中具有独特的优势和良好的应用前景。但是,纳米零价铁容易团聚且在空气中极易被氧化,造成活性和寿命急剧下降,严重阻碍其大规模的应用。针对上述问题,本研究从材料设计的角度出发,基于氢氧化镁(Mg(OH)2的多重功效,采用氢氧化镁作为载体材料,制备新型的氢氧化镁负载的纳米零价铁复合材料(nZVI@Mg(OH)2)。采用X射线粉末衍射,扫瞄电镜,透射电镜,BET-N2比表面积测定等手段对复合材料进行表征。考查复合材料对水溶液中铅离子的去除效果,研究初始铅离子浓度、溶液pH、复合材料中Fe负载量等因素对去除性能的影响,并通过作用前后复合材料物相、形貌的比较及表面价态研究(X射线光电子能谱),揭示复合材料除铅的作用机理。研究结果表明:  (1)载体材料Mg(OH)2为平均直径约10微米的自支撑花状球体,nZVI为平均粒径约50 nm颗粒,均匀、分散地负载在氢氧化镁表面。复合材料比表面积为40.2 m2/g,与Mg(OH)2的41.3 m2/g相当。与团聚态的nZVI相比,所合成的材料的比表面积有大幅增加(11.6到40.2 m2/g)。  (2)对除铅性能的研究表明,pH为中性时更利于Pb2+去除,Fe负载量为50%左右时为最佳复合比例。复合材料投加量为500 mg/L,初始浓度在250到1000 mg/L时,90%以上Pb2+在20 min之内被除去。当初始浓度低于750 mg/L时,120 min后没有Pb2+检出。由于协同作用,相比纯组分nZVI和Mg(OH)2,nZVI@Mg(OH)2复合材料对Pb2+去除效果更好,去除容量更大(1986.6 mg/g),速率也更快(15 min去除率94%)。  (3)除铅机理研究表明,复合材料对Pb2+去除是一个多重协同过程,除铅过程至少包含以下三条途径:(a) Mg(OH)2对Pb2+的吸附作用;(b)纳米零价铁对Pb2+的还原作用;(c)溶液中OH-对Pb2+的沉淀作用。这种多重协同作用使得复合材料对Pb2+的去除能力大大增强。
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