纳米Fe/Mn双金属对地下水中四环素的去除性能与机理研究

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近年来,纳米零价铁因其具有环保友好,廉价易制得和可回收的优势备受研究者的亲睐,将其应用于场地地下水的原位修复中。但纳米零价铁颗粒由于具有易团聚的纳米效应,导致相关应用受到一定的阻碍。锰元素为过渡金属元素,性质活泼,在地壳中元素丰度高,可以被充分利用,环保友好。采用液相还原法制备出纳米Fe/Mn双金属复合材料,以四环素(TC)作为目标污染物。在零价铁中加入锰元素之后发现,既改善了纳米零价铁的团聚效应,还增加了对四环素的催化降解能力。为了考察纳米Fe/Mn双金属复合材料在模拟地下水环境中的应用潜力,研究双金属在介质中的迁移分布特征发现,该复合材料不仅对环境无危害,还可以利用截留在介质中的双金属材料去除体系中存在的污染物。主要取得的研究成果如下:(1)对纳米Fe/Mn双金属的制备因素研究发现,较优异的制备温度为25℃、溶剂体系为乙醇:水=1:1、Fe:Mn=15:1。对制备出的纳米Fe/Mn双金属复合材料进行形貌、元素含量、元素价态、磁学性能等测试分析,发现该复合材料被成功制备,双金属颗粒分布较均匀;对元素价态等分析发现均存在有Fe和Mn元素的零价态和部分氧化物;具有良好的磁学性能,使用后易于进行回收;通过对Fe/Mn双金属的比表面积测定结果为47.67 m2/g,通过研究其钝化性能发现,在钝化时间为15天后对四环素仍能达到54.30%的去除效率,说明该复合材料对环境的适应能力和实际应用能力具有一定的前景。(2)研究了纳米Fe/Mn双金属投加量、TC初始浓度、溶液初始p H、反应温度、共存离子等条件对效率的影响。综合考虑,反应条件为:纳米Fe/Mn双金属投加量为0.3 g/L,反应温度选取25℃,初始p H=3,考虑实际水体情况,对反应体系中共存阴阳离子对反应的影响发现,体系中阴离子对去除TC的抑制大小顺序为:Cl->CO32->SO42->NO3->HPO42-;阳离子对去除能力的抑制大小为:Mg2+>K+>Na+>Ca2+。四环素浓度在应用过程中以实际情况为准,在该研究中发现高浓度(1.0 g/L)的四环素几乎也可以被纳米Fe/Mn双金属完全去除。(3)纳米Fe/Mn双金属在介质中的迁移分布情况对于其能否成功应用十分关键,通过一维有机玻璃柱进行模拟试验,考察纳米Fe/Mn双金属在模拟地下水环境中的迁移分布情况。通过对注入条件的改变,发现在整个迁移过程中,细砂、中砂和粗砂对纳米Fe/Mn双金属的截留量分别约0.43、0.33和0.30 mg(铁)/g(砂);随着注入Fe/Mn双金属浓度的上升,截留的双金属含量增加明显,尤其是750 mg/L和1000 mg/L两个高浓度的截留情况,其截留量分别约0.68和0.96mg(铁)/g(砂);随着注入速度的增加,在流速为50、100和200 cm/d时最大截留位置的截留量分别为:0.28、0.34、0.57 mg(铁)/g(砂)。采用Box-Behnken Design模型设计并评估三种因素对最大迁移距离和沉积速率系数的影响,最后研究在介质中的截留双金属材料对四环素的去除情况,结果表明,在注入量为15 pv(孔隙体积)后,陆续有四环素被检出,浓度为初始浓度的1~3%之间,说明纳米Fe/Mn双金属对环境中四环素具有较好的去除能力,可为纳米Fe/Mn双金属在实际环境中的应用提供一定的依据。
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