纳米零价铁-磁性石墨烯复合材料(nZVI@MG)的制备及其还原特性研究

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纳米零价铁(nZVI)具有比表面积大、反应活性高等突出特点,广泛应用于有机卤化物、重金属、硝基芳香化合物等污染物的还原降解。然而,nZVI由于粒径小、表面具有磁性、比表面积大,存在易团聚、易氧化的问题。本文以石墨烯和Fe3O4复合合成磁性石墨烯(MG),将nZVI负载在MG上以达到改善nZVI的目的。本文成功制备了纳米零价铁-磁性石墨烯复合材料(nZVI@MG)并进行了材料表征;选取六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)为目标特征污染物,进一步考察了nZVI@MG复合材料对溶液中CL-20的去除性能;讨论了不同反应条件对CL-20降解效率的影响,对污染物的去除过程进行了动力学模型拟合;分析了CL-20降解的中间产物,推测出了2条可能的降解路径。结果表明:(1)本文采用水热法-硼氢化钠还原法能够成功合成nZVI@MG。MG载体的加入,成功分散了nZVI,改善了nZVI的团聚现象、提高了材料的稳定性、保持了其反应活性。(2)复合材料对CL-20的去除归因于载体吸附和nZVI还原的协同作用。nZVI@MG在120 min内可对50mg/L CL-20溶液实现完全降解。而商用铁粉(Fe0)、纳米零价铁(nZVI)、纳米零价铁-石墨烯复合材料(nZVI@rGO)的120 min去除率仅分别为27.9%、53.2%、57.7%。(3)在nZVI@MG复合材料中,通过控制nZVI、Fe3O4组分的质量比例,能够影响对污染物的降解效果。Fe3O4比例增加,能明显提高降解效率。(4)材料对CL-20的降解受到反应环境的影响,pH越低,含盐量越高,越利于反应的进行。然而由于pH和含盐量的改善作用十分有限,显示出nZVI@MG复合材料在还原反应时的优越性能。(5)本文将nZVI@MG降解CL-20过程对伪一级动力学和伪二级动力学模型进行了拟合,伪二级动力学模型能够更好地描述吸附和反应过程,相关系数R2值达到0.9945,表明反应中进行的是化学吸附过程,还原反应对化学吸附有良好的促进作用。(6)通过LC-MS与GC-MS的检测,分析出3种新的中间产物,并进一步确认了CL-20的2条还原路径,一是打开顶端C-C键后进行脱硝反应,二是笼状结构上的N-NO2发生硝基还原反应。
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