纳米零价铁复合材料的构筑及其还原对氯硝基苯的研究

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氯代有机物是严重污染水体的一类优先控制污染物,零价铁技术为氯代有机物的去除提供了新的方向。然而,纳米零价铁易团聚,且表面会因氧化而形成钝化层,为了克服这些缺陷,充分发挥零价铁还原性强的优势,本文选用凹凸棒土为载体,羧甲基纤维素钠为改性剂,金属镍为复合金属,构筑了纳米零价铁复合材料(以CMCNa-ATP-Fe/Ni表示),选用对氯硝基苯为目标污染物,研究了CMCNa-ATP-Fe/Ni去除对氯硝基苯的性能、机理和影响因素。主要研究结果如下:(1)负载及改性后,由SEM及TEM形貌分析可看出纳米Fe(/Ni)的团聚状况得到明显改善,有些团聚体甚至被分散为单个的纳米Fe(/Ni)颗粒,而BET比表面积由14.15m2/g增大为94.67m2/g。Zeta电位测试也表明复合材料间斥力增大。(2)与未负载并改性的纳米Fe/Ni相比,复合材料去除对氯硝基苯的效率和速率显著增强,达到98%的去除率,复合材料需要的时间较纳米Fe/Ni缩短9倍,而复合材料中铁的质量仅占材料总质量的1/3,因此,使用成本可以大为降低。(3)CMCNa-ATP-Fe/Ni去除对氯硝基苯符合Langmuir-Hinshelwood模型,去除过程是吸附与还原协同作用的结果,反应速率常数k1为20.02mg·(L·min-1),吸附常数k2为0.0041L/mg,因此吸附是去除过程的速率控制步骤。(4)CMC-ATP-Fe/Ni还原对氯硝基苯的途径为:复合材料首先将对氯硝基苯上的硝基还原为胺基,然后使对氯苯胺发生脱氯还原,最终产物为苯胺。(5)对氯硝基苯上硝基被还原为胺基的机理为:(1)零价铁与硝基之间直接发生电子转移使其还原;(2)零价铁的腐蚀产物H2通过Ni的作用转化为活性氢原子,活性氢原子再将硝基还原。复合材料使对氯硝基苯发生脱氯还原的机理是:活性氢原子使对氯苯胺苯环上的C-Cl键断裂,生成苯胺。(6)升高温度利于对氯硝基苯的还原;pH在5-9范围内,对氯硝基苯还原效率较高;水体中常见的Cl-、SO42-等离子均对复合材料的还原作用有一定减弱。
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