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【6h】

活性碳纤维负载纳米零价铁去除地下水中六价铬的研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 地下水及其污染

1.1.1 地下水概况

1.2.1 Cr的性质及其存在形态

1.2.2 地下水Cr污染现状

1.3 水中Cr(Ⅵ)的传统处理技术

1.3.1 生物修复技术

1.3.2 物理处理技术

1.3.3 化学处理技术

1.4 水中Cr(Ⅵ)的nZVI处理技术概况

1.4.2 nZVI的改性

1.5 选题目的、意义及研究内容

1.5.1 选题目的和意义

1.5.2 研究内容

第二章 nZVI-ACF复合材料的制备与表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验系统

2.2.2 实验试剂

2.2.3 实验设备

2.2.4 实验方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 铁盐种类

2.3.2 Fe3+浓度的影响

2.3.3 BH4-浓度的影响

2.3.4 无水乙醇与去离子水体积瑟的影响

2.3.5 SEM及EDX分析

2.3.6 XRD分析

2.3.7 比表面积及粒径分析

2.3.8 等电点

2.4 本章小结

第三章 nZVI-ACF去除地下水中Cr(Ⅵ)的实验研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 实验设备

3.3 结果与讨论

3.3.1 复合材料中nZVI与ACF质量比的影响

3.3.2 复合材料投加量的影响

3.3.3 Cr(Ⅵ)浓度的影响

3.3.4 pH的影响

3.3.5 共存离子的影响

3.4 本章小结

第四章 nZVI-ACF去除地下水中Cr(Ⅵ)的机理分析

4.3.1 XRD分析

4.3.2 XPS分析

4.4 本章小结

第五章 结论与创新点

5.1 结论

5.2 创新点

参考文献

致谢

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摘要

地下水是宝贵的自然资源和人类生存不可或缺的组成部分。随着人口增长和经济发展,地下水重金属污染问题愈发严重,其中,铬(Cr)由于具有极高毒性和极强的致畸、致癌、致突变性,Cr污染问题受到人们的广泛关注。Cr主要以(Cr(Ⅵ))和(Cr(Ⅲ))形式存在于地下水中。Cr(Ⅵ)的毒性大,易于溶解与迁移;而Cr(Ⅲ)毒性较低、不易迁移且化学性质较为稳定。将Cr(Ⅵ)转化为Cr(Ⅲ)可减小毒性并形成难溶物,从而有效控制污染。近年来,纳米零价铁(nZVI)因其还原性强、比表面积大、价格低廉、环境安全等优点成为最有潜力的环境修复材料之一。但是nZVI易于团聚、钝化,使比表面积变小、反应活性减弱。用多孔材料作载体可提高nZVI颗粒的分散性,减少团聚现象。
  本研究以价廉易得、微孔结构发达、比表面积大的活性碳纤维(ACF)为载体制备nZVI复合材料——活性碳纤维负载纳米零价铁(nZVI-ACF复合材料),用以去除地下水中的Cr(Ⅵ)。主要围绕nZVI-ACF复合材料的制备及表征、复合材料去除地下水中Cr(Ⅵ)的影响因素、作用机制等方面进行研究。具体研究结果如下:
  1.通过液相还原法制备nZVI和nZVI-ACF复合材料,探究铁盐种类、Fe3+浓度、BH4-浓度、溶剂中无水乙醇与去离子水的体积比等因素对nZVI反应活性的影响,并采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能量色散X射线探测器(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、比表面积及粒径分析仪等设备分析nZVI和nZVI-ACF复合材料的形貌及结构。结果表明:三价铁盐(FeCl3·6H2O)制备的nZVI反应活性较高;在Fe3+浓度为0.045 molL-1、BH4-浓度为0.5 mol L-1、溶剂中无水乙醇与去离子水的体积比为3∶7的制备条件下,nZVI具有最高的反应活性;nZVI呈链状结构,以ACF为载体所得的复合材料可提高nZVI的分散性;nZVI呈非晶状态且ACF不影响nZVI的结构。nZVI和nZVI-ACF复合材料的比表面积分别为12.96、688.54 m2 g-1。
  2.考察复合材料中nZVI与ACF的质量比、nZVI-ACF用量、Cr(Ⅵ)浓度、pH、共存离子等因素对Cr(Ⅵ)去除效率的影响。结果表明,在Cr(Ⅵ)浓度为8.99 mg L-1的体系中,当复合材料中nZVI与ACF的质量比为1.73、复合材料用量为0.40 g、反应液pH为3.0时,反应3 min,Cr(Ⅵ)的去除率为93.84%。增加材料中nZVI与ACF的质量比或材料用量可促进Cr(Ⅵ)的去除;升高Cr(Ⅵ)浓度或pH对Cr(Ⅵ)去除有抑制作用;HCO3-和NO3-对Cr(Ⅵ)去除有明显的抑制作用且随浓度的增加而增强;Ca2+、Mg2+和Cl-对Cr(Ⅵ)去除有轻微抑制作用。
  3.采用XRD、X射线光电子能谱仪(XPS)等设备分析与Cr(Ⅵ)反应前后nZVI-ACF复合材料的结构及表面元素的形态,进而探究nZVI-ACF复合材料与Cr(Ⅵ)的作用机理。结果表明,nZVI和Fe(Ⅱ)将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ),生成γ-Fe2O3或FeCr2O4、 Fe3O4、 Cr2O3或Cr(OH)3等产物。

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