纳米铁复合材料的制备及其在水污染治理中的应用

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水体中重金属离子和油类污染物不仅破坏生态环境,而且危害人类健康。纳米铁由于具有原材料丰富、制备简单、活性高、还原电势高、可磁性回收和环境友好的优点,在水污染治理方面备受关注。但是,纳米铁(NZVI)极易发生氧化和团聚,这限制了纳米铁的实际应用。本文采用无机/有机复合改性技术,制备出高分散、高稳定和高活性的磁性纳米铁复合材料,并研究了所制备的复合材料对水体中六价铬(Cr(Ⅵ))和润滑油的去除性能。具体如下:(1)结合液相还原法与改进的St?ber法,合成了SiO2修饰的纳米铁复合材料(S-NZVI),并研究了SiO2和Fe的摩尔比(ns/ni)对S-NZVI的形貌、结构以及Cr(Ⅵ)去除效率的影响。结果表明:S-NZVI为球形纳米颗粒,呈现出以纳米铁为核,SiO2层为壳的核壳结构。当ns/ni=1时,S-NZVI的分散性好,粒径小且分布集中,平均粒径为53 nm,对80 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液的去除效率达到97%以上。(2)采用硅氧烷对ns/ni=1的S-NZVI表面进行接枝改性,制得硅氧烷修饰的纳米铁复合材料(HS-NZVI),并将其用于水体中Cr(Ⅵ)的去除研究中。系统研究了反应时间、初始Cr(Ⅵ)浓度和初始溶液p H对HS-NZVI去除Cr(Ⅵ)的影响。结果表明,HS-NZVI为分散性好的球形纳米颗粒,呈现出明显的核壳结构,且平均粒径为59 nm。此复合材料具有高的比表面积(65.9 m2/g)和饱和磁化强度(75.1 emu/g)。对Cr(Ⅵ)的最大去除容量为292.8 mg Cr/g Fe,且Cr(Ⅵ)去除实验符合伪一级反应动力学模型。随着初始溶液p H的降低,Cr(Ⅵ)的去除效率升高;当p H=3时,Cr(Ⅵ)的最大去除效率达到97.2%。另外,HS-NZVI的稳定性和重复使用性均优于NZVI和S-NZVI。最后,通过对去除产物进行表征分析,证实HS-NZVI对Cr(Ⅵ)的去除机理主要是吸附、还原和共沉淀。(3)分别采用碳链长度为C1、C8和C16的三种疏水改性剂对ns/ni=1的S-NZVI表面进行疏水改性,制得三种疏水性能不同的复合材料(M-NZVI、O-NZVI和H-NZVI)。研究了有机链长对复合材料的接触角、稳定性、磁性及吸油性能的影响。结果表明,随着有机链长的增加,复合材料的接触角、稳定性和吸油性能均显著增大,而磁性略有降低。其中,H-NZVI呈现出超疏水性和良好的磁响应能力,其接触角和饱和磁化强度分别为151.2°和54.9 emu/g。在Na Cl溶液中放置32天未发生明显氧化,说明其具有高的稳定性。H-NZVI对润滑油的最大吸附量达9.73 g/g,优于M-NZVI(6.11 g/g)和O-NZVI(7.86 g/g)。在312的p H范围内,H-NZVI的吸油量(9.439.73 g/g)和接触角(139.9150.1°)变化均很小,说明H-NZVI能在较宽的p H范围内使用。经过7次循环后,H-NZVI的吸油量仍能达到9.26 g/g,说明H-NZVI具有优良的重复使用性和稳定性。
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