納米鐵系金屬復(fù)合材料去除地下水中硝酸鹽污染的研究.pdf

1、近年來隨工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，地下水中硝酸鹽的污染已成為一個(gè)相當(dāng)重要的環(huán)境問題，且污染具有日益惡化的趨勢，目前已引起人們的普遍關(guān)注。結(jié)合納米技術(shù)對環(huán)境污染進(jìn)行修復(fù)是當(dāng)今世界一個(gè)新的發(fā)展方向。納米材料具有粒徑小，比表面積大以及表面活性高等特點(diǎn)，并可直接注入地下對污染區(qū)域?qū)崿F(xiàn)原位修復(fù)，因此合成新型高效的納米材料去除地下水中硝酸鹽污染已成為環(huán)境中的一個(gè)研究熱點(diǎn)課題。 目前應(yīng)用于地下水中硝酸鹽去除的技術(shù)主要有生物反硝化、離子交換技術(shù)、膜分離

2、法和化學(xué)還原修復(fù)等技術(shù)；其中生物處理法具有高效低耗的特點(diǎn)，但會(huì)導(dǎo)致出水中含有細(xì)菌和殘留有機(jī)物，必須進(jìn)行后續(xù)處理；離子交換和膜分離等物理化學(xué)處理技術(shù)只是將硝酸鹽污染物進(jìn)行了濃縮或轉(zhuǎn)移，并沒有對其進(jìn)行徹底去除，同時(shí)產(chǎn)生高濃度再生廢液同樣需要處理；而在化學(xué)還原反硝化中，應(yīng)用負(fù)載型催化劑可將大部分硝酸鹽轉(zhuǎn)化為N<,2>，但催化還原過程中需要以 H<,2>作為還原劑，而H<,2>容易爆炸，不便于工程施用；納米Fe<'0>可快速還原地下水中的硝酸鹽

3、，但其產(chǎn)物主要為NH<,4><'+>-N，只有很小部分硝酸鹽可能被轉(zhuǎn)化為N<,2>。 針對以上問題，本文采用液相還原法制備了納米級Fe/Ni、Fe/Cu、Fe/Pd和Fe/Pd/Cu金屬復(fù)合材料，并首次將納米Fe/Ni和納米Fe/Pd/Cu顆粒應(yīng)用于地下水中硝酸鹽污染物的去除，采用TEM-EDS、SEM、XRD、BET等分析手段對納米材料的結(jié)構(gòu)、組成進(jìn)行了表征，系統(tǒng)的研究了不同催化劑金屬對硝酸鹽還原中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物的影響，同時(shí)

4、對納米顆粒還原NO<,3><'->的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探討。與普通鐵屑相比，納米Fe<'0>具有很高的反應(yīng)活性，金屬催化劑Ni、Cu、Pd的引入進(jìn)一步提高了NO<,3><'->的去除速率，且不同催化劑種類對還原速率及還原產(chǎn)物具有不同的影響。 對比普通鐵屑與納米零價(jià)鐵去除NO<,3><'->的反應(yīng)，溶液pH是影響鐵屑反應(yīng)速率的主要影響因素，酸性條件有利于鐵屑還原去除NO<,3><'->，而納米Fe<'0>即使在中性初始pH條件下也具有

5、較高的反應(yīng)活性；將鐵屑與納米Fe<'0>分別應(yīng)用于地浸采鈾實(shí)際地下水，普通鐵屑反應(yīng)5 h，硝酸鹽去除率為93％，而納米Fe<'0>15分鐘即可將硝酸鹽污染物完全去除，但約96％的NO<,3><'->被轉(zhuǎn)化為NH<,4><'+>-N。 在納米：Fe/Ni去除硝酸鹽的研究中，當(dāng)Ni負(fù)載量為5.0％時(shí)，且在中性pH條件下，納米顆粒具有最高的反應(yīng)活性；新鮮制備的Fe/Ni納米雙金屬顆粒，在空氣中緩慢氧化22h后可穩(wěn)定存在于空氣中，但其反

6、應(yīng)活性降為原來的十分之一，與納米Fe<'0>反應(yīng)活性相當(dāng)，繼續(xù)老化44 h對納米Fe/Ni的反應(yīng)活性影響不大；反應(yīng)中有少量NO<,2><'->作為中間副產(chǎn)物被檢出，但最終與NO<,3><'->一起被同時(shí)去除，NH<,4><'+>轉(zhuǎn)化率在84.6％～90.6％范圍內(nèi)，改變Ni負(fù)載量、溶液初始pH值、初始濃度等實(shí)驗(yàn)條件對改善產(chǎn)物選擇性的貢獻(xiàn)很?。徽J(rèn)為硝酸鹽的脫硝反應(yīng)經(jīng)歷了NO<,3><'->→NO<,2><'->→NH<,4><'+>兩個(gè)轉(zhuǎn)

7、化步驟，為連續(xù)分步反應(yīng)，其中NO<,3><'->→NO<,2><'->為整個(gè)反應(yīng)的速度控制步驟。 以Cu為催化劑催化還原硝酸鹽，當(dāng)Cu負(fù)載量為5.0％時(shí)，納米Fe/Cu與硝酸鹽反應(yīng)具有最快的去除速率，30min可將硝酸鹽完全去除；反應(yīng)過程中有30％的NO<,3><'->可被還原為中間副產(chǎn)物NO<,2><'->，提高nano-Fe/Cu的反應(yīng)活性，有利于NO<,2><'->在溶液中的積累，但NO<,2><'->可進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化為NH

8、<,4><'+>或N<,2>，NH<,4><'+>最終轉(zhuǎn)化率為79.4％～82.8％；納米Fe/Cu復(fù)合材料還原NO<,3><'->的反應(yīng)歷程與納米Fe/Ni相似，為連續(xù)分步反應(yīng)，與nano-Fe/Ni反應(yīng)體系不同的是，金屬Cu催化劑對NO<,2><'->具有較高的選擇性，NO<,3><'->→NO<,2><'->轉(zhuǎn)化速率較快，而NO<,2><'->→NH<,4><'+>的轉(zhuǎn)化速率較慢。 本文同時(shí)合成了納米Fe/Pd以及納米Fe