【摘要】：納米零價鐵(nZVI)作為水處理的通用材料,可有效處理含重金屬離子廢水。然而,nZVI在制備及應(yīng)用過程中,仍存在以下問題:(1)nZVI活性較高,易氧化,難保存,極易在干燥后自燃而引起危險;(2)傳統(tǒng)間歇反應(yīng)器制備nZVI時存在難連續(xù)、批量制備且顆粒粒徑較大、粒徑分布不均勻、存在易團聚等現(xiàn)象;(3)實際重金屬離子廢水成份復(fù)雜多樣,存在共存離子的促進或抑制作用,對重金屬離子的去除產(chǎn)生影響。針對nZVI易氧化失活的問題,采用將nZVI直接保存于液相而代替干燥的辦法,并以Pb(Ⅱ)去除率為評價指標(biāo)探究不同保存方法下nZVI活性的變化。首先,對所制nZVI分別進行SEM、TEM、XRD和XPS表征。SEM和TEM結(jié)果表明:所制nZVI為粒徑大小約55 nm的類球形鏈狀團聚結(jié)構(gòu),XRD和XPS結(jié)果表明其成份主要為Fe~0、Fe~(2+)和Fe~(3+)。Pb(Ⅱ)去除性能研究結(jié)果表明:Pb(Ⅱ)去除率最大時最佳pH為6.0,在此條件下,未干燥nZVI與干燥nZVI對Pb(Ⅱ)吸附均為單分子層吸附,未干燥nZVI對Pb(Ⅱ)最大吸附容量為807.23 mg·g~(-1),與干燥nZVI相比,最大吸附容量提升約1.20倍。動力學(xué)研究結(jié)果表明未干燥nZVI與干燥nZVI對Pb(Ⅱ)吸附均符合擬二級動力學(xué)模型,且未干燥nZVI對Pb(Ⅱ)有著更快的吸附速率。說明保存于液相的方法可改善nZVI氧化程度、維持其較高的反應(yīng)活性。其次,在采用液相保存的基礎(chǔ)上,采用超重力法制備nZVI并在制備的同時添加羧甲基纖維素(CMC)進行同步改性,同時解決nZVI難連續(xù)、批量制備和易團聚的問題。經(jīng)計算,實驗室條件下采用超重力法制備CMC-nZVI的產(chǎn)量為336 g·h~(-1)。TEM和DLS表征結(jié)果表明:所制CMC-nZVI粒徑大小約為15 nm,與未改性nZVI相比,其粒徑較小、分布均勻且團聚現(xiàn)象不明顯。XRD、FTIR、TG和DSC表征結(jié)果表明:CMC-nZVI主要成分為Fe~0,表面存在CMC成份,含量約為1.61%。Pb(Ⅱ)去除性能研究結(jié)果表明:Pb(Ⅱ)去除率最大時最佳pH為6.0,在此條件下,未改性nZVI與CMC-nZVI對Pb(Ⅱ)吸附均為單分子層吸附,CMC-nZVI對Pb(Ⅱ)最大吸附容量為1237.32 mg?g~(-1),與未改性nZVI相比,最大吸附容量提升約1.48倍。動力學(xué)研究結(jié)果表明未改性nZVI與CMC-nZVI對Pb(Ⅱ)吸附均符合擬二級動力學(xué)模型,且CMC-nZVI對Pb(Ⅱ)有著更快的吸附速率。Pb(Ⅱ)去除機理研究結(jié)果表明,反應(yīng)后CMC-nZVI表面同時存在Pb~(2+)和Pb~0,說明去除機理包含吸附和還原兩個過程。Cr(Ⅵ)去除性能研究結(jié)果表明:在pH為4.0條件下,CMC-nZVI對Cr(Ⅵ)吸附為單分子層吸附,最大吸附容量為170.14 mg?g~(-1),動力學(xué)研究結(jié)果表明CMC-nZVI對Cr(Ⅵ)吸附符合擬二級動力學(xué)模型。Cr(Ⅵ)去除機理研究結(jié)果表明,反應(yīng)后CMC-nZVI表面僅存在Cr(Ⅲ),說明去除機理主要為還原過程。最后,分別探究溶液中共存陽離子對Pb(Ⅱ)去除率、共存陽離子和共存陰離子對Cr(Ⅵ)去除率的影響。共存陽離子結(jié)果表明:Na~+對Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)去除率均無明顯影響;Cu~(2+)和Ni~(2+)均對Pb(Ⅱ)去除率呈現(xiàn)抑制作用且抑制作用強弱順序為Cu~(2+)Ni~(2+);Cu~(2+)和Ni~(2+)均對Cr(Ⅵ)去除率呈現(xiàn)促進作用;隨Cd~(2+)濃度的逐漸增大,對Pb(Ⅱ)去除率呈現(xiàn)先抑制后促進的作用,而Cd~(2+)對Cr(Ⅵ)去除率呈現(xiàn)促進作用。共存陰離子結(jié)果表明:NO_3~-對Cr(Ⅵ)去除率無明顯影響;Cl~-對Cr(Ⅵ)的影響表現(xiàn)為促進作用;隨著SO_4~(2-)濃度的逐漸增大而由無明顯影響逐漸轉(zhuǎn)為促進作用。
【圖文】：

轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器（SplittingPacking-RotatingPackedBed，簡稱 SP-RPB）、折流板式超重轉(zhuǎn)床（Rotating Zigzag Bed，簡稱 RZB）等[73]，部分超重力裝置結(jié)構(gòu)圖見圖 1.1。在超重力環(huán)境下，根據(jù)所處物系的不同，反應(yīng)還可分為氣-液接觸反應(yīng)和液-液接應(yīng)兩種，相應(yīng)的超重力裝置的結(jié)構(gòu)可分為 RPB 和撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床（Impingtream-Rotating Packed，簡稱 IS-RPB）兩種。在 RPB 中，液體經(jīng)分布器進入高速旋填料內(nèi)，此時主要以液滴、液絲、液膜的形式存在，可最大化增加氣-液間接觸面積而強化相間傳質(zhì)。為了進一步強化液-液間傳遞過程和液體微觀混合效果，中北大學(xué)智教授等提出撞擊流耦合旋轉(zhuǎn)填料床技術(shù)，將超重力環(huán)境下的氣-液兩相傳遞強化至超重力環(huán)境下的液-液傳遞強化。IS-RPB 在 RPB 的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將液體分布器改個位于同軸心、相對的噴嘴，反應(yīng)液經(jīng)噴嘴處高速噴出，獲得一定的初速。而后，反應(yīng)液經(jīng)相互撞擊形成撞擊霧面而使反應(yīng)液間的初次混合；此后，撞擊霧面進入到旋轉(zhuǎn)的填料床內(nèi)側(cè)，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的填料剪切后進一步混合、反應(yīng)。

圖 1.2 納米零價鐵制備及對重金屬離子 Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)去除技術(shù)路線圖圖 1.2 為本課題的技術(shù)路線圖。首先，采用液相還原法制備 nZVI，并將所得 nZVI采用不同方法保存，以 Pb(Ⅱ)去除率為評價指標(biāo)對比不同方法中 nZVI 活性的變化；其次，采用超重力法制備 nZVI 并在制備的同時添加 CMC 對其表面進行改性，然后，將所得 CMC-nZVI 用于重金屬離子 Pb(Ⅱ)和 Cr(Ⅵ)的去除；最后，分別探究 Na+、Ni2+、Cu2+和 Cd2+等陽離子對 Pb(Ⅱ)去除率的影響、NO3-、Cl-和 SO42-等陰離子對 Cr(Ⅵ)去除率的影響。具體實施步驟如下：（1） 采用液相還原法制備 nZVI，將所制材料一部分干燥，于 N2環(huán)境下保存待用；另一部分保存于液相中，計算其固含量，，保存待用。將未干燥 nZVI 與干燥 nZVI 分別用于重金屬離子 Pb(Ⅱ)的去除，考察 nZVI 投加量、溶液 pH、Pb(Ⅱ)初始濃度以及反應(yīng)時間
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X703;TB383.1;TQ424

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本文編號：2689508