氨基功能化蛭石负载纳米零价铁去除含铬废水中的Cr(Ⅵ)

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随着工业的快速发展,工业活动排放的含铬废水引起的铬污染问题日益严重,对人类健康和环境造成极大的危害。基于化学还原-沉淀法的纳米零价铁(nZVI)技术因其制备简单,成本低,与Cr(VI)的反应活性高,易于回收等优点受到国内外研究者的关注。nZVI作为目前广泛研究的环境纳米材料,在实际应用中仍存在一些问题:诸如易团聚,易氧化等,抑制了nZVI去除废水中Cr(VI)的效率。针对这些问题,本文采用氨基功能化蛭石(AVT)作为稳定剂负载纳米零价铁(nZVI),通过液相还原法制备氨基功能化蛭石负载纳米零价铁(AVT-nZVI)材料,将其应用于废水中Cr(VI)的去除。主要研究成果如下:(1)氨基功能化蛭石负载纳米零价铁(AVT-nZVI)的制备比例优化及表征:以氨基功能化蛭石(AVT)为载体,在氮气保护的情况下,通过KBH4还原Fe3+成功制备了负载在AVT上的纳米铁颗粒(AVT-nZVI)。实验结果表明,当AVT:nZVI质量配比为1:4时,其Cr(VI)去除率为100%,而nZVI仅有87.5%。AVT-nZVI抗氧化能力较好,在常温常压的条件下能够稳定存在。nZVI和AVT-nZVI的TEM图可以看出nZVI负载在AVT上的nZVI颗粒(D=20-50 nm)以分散的短链和球形存在。而没有添加AVT的nZVI颗粒呈链状或网状结构。nZVI负载于AVT上后,显著提高了nZVI的分散性,降低了颗粒的粒径。(2)工艺条件优化及共存离子影响考察:实验结果表明,在初始Cr(VI)浓度为20 mg L-1、温度为303 K、pH=5,AVT-nZVI投加量为0.625 g L-1的条件下,AVT-nZVI去除Cr(VI)效率为100%;共存离子SO42-、NO3-对AVT-nZVI去除Cr(VI)的影响作用较小,PO43-会抑制AVT-nZVI对Cr(VI)的去除,而Cu(II)、Ni(II)均对AVT-nZVI去除Cr(VI)有明显的促进作用,其提高了AVT-nZVI体系还原Cr(VI)的能力;在AVT-nZVI去除Cr(VI)的优化条件下,研究了AVT-nZVI颗粒的重复使用性及材料稳定性能。AVT-nZVI在经过4次循环使用发现,其对Cr(VI)的去除效率仍保持在70%以上,表明AVT-nZVI的可重复使用性较好。采用抗氧化性实验比较AVT-nZVI和nZVI的材料稳定性,AVT-nZVI暴露在空气中,其抗氧化性能高于nZVI。由于nZVI负载于AVT表面后,与氧气的接触减缓,可更大程度避免被氧化。(3)动力学研究表明AVT-nZVI符合准二级吸附动力学,AVT-nZVI的ks为0.0070 g mg-11 min-1,qe为47.35 mg g-1。AVT-nZVI对于Cr(VI)反应的整个过程中,化学吸附是整个过程的速率控制步骤。(4)基于实验和表征分析可知,AVT-nZVI去除Cr(VI)的反应机理:AVT上的质子化氨基(-NH3+)促使负Cr(VI)物质吸附在AVT-nZVI的表面上;此外,Cr(VI)被Fe(0)直接还原为Cr(III);Cr(III)与Fe(III)生成Cr(III)-Fe(III)共沉淀物吸附于AVT-nZVI表面。
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