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壳聚糖稳定纳米铁的制备与修复地表水中六价铬污染的研究

耿兵  
【摘要】: 地表水是人类的重要资源,在人们的生产和生活中具有不可替代的作用。但是,随着工业和经济的快速发展,一些工厂企业不合理排放含铬废水,导致大量铬尤其是Cr(Ⅵ)进入地表水中,引起严重的污染。Cr(Ⅵ)以其较大的毒害作用引发了一系列负面效应,影响了周围动物,植物以及人类的健康。因此,解决地表水中Cr(Ⅵ)的污染问题成为了环境工作者关注的焦点。 近几年的研究表明,零价铁材料尤其是纳米级零价铁材料由于具有高的反应活性,可修复多种环境污染物等特点,成为目前环境污染修复技术中一个非常活跃的研究领域。但是在实际应用中纳米铁材料仍然存在一些问题需要解决,如纳米铁合成条件不易控制,极易团聚,空气稳定性差。这些因素都对纳米铁材料的制备和使用提出了严峻的挑战。 针对以上问题,本论文在天津市应用基础及前沿技术研究计划(天津市自然科学基金)的资助下,对纳米铁制备的液相还原法进行改进,制备出壳聚糖稳定的纳米铁材料并用于地表水Cr(Ⅵ)污染的修复。论文研究了壳聚糖稳定纳米铁的稳定性,在静态条件和动态条件下考察了壳聚糖稳定纳米铁对地表水中Cr(Ⅵ)的去除能力,探讨了壳聚糖稳定纳米铁去除Cr(Ⅵ)的动力学和机理。论文的主要研究内容分为以下四部分: 1.通过优化制备条件得到了壳聚糖稳定纳米铁制备的最佳方法为:将分子量为100000的壳聚糖溶解于0.05 mol/L HNO_3溶液中,得到质量百分含量为0.5%的壳聚糖硝酸溶液。使用前通过0.22μm的微孔滤膜过滤去除不溶部分,然后向装有3 ml上述壳聚糖溶液的三口烧瓶中加入10 ml含有0.2978 gFeSO_4·7H_2O的水溶液,加入去离子水使体系的总体积为15 mL,用真空线向溶液中通入高纯氮气除去体系中的氧(通气时间为30min),并在整个合成的过程中持续向体系中通入氮气保持无氧环境,然后再搅拌10分钟使之充分混合均匀。同时将10 mL新配制的含0.2889 g KBH_4的水溶液从恒压漏斗中逐滴加入三口烧瓶中,滴速控制约为2滴/秒,在20℃下反应90分钟,生成黑色的纳米铁颗粒。反应结束后,用磁选法分离出纳米铁粒子,再用脱氧去离子水洗涤三次,每次用水150ml,得到壳聚糖稳定纳米铁复合粒子。 2.壳聚糖稳定纳米铁的表征分析结果显示,壳聚糖稳定纳米铁粒径的分布范围为20-150 nm,平均粒径为82.4 nm,且具有一定的抗氧化性能。与普通纳米铁相比,壳聚糖稳定纳米铁呈现了很好的分散状态。 3.采用批实验和柱实验研究了壳聚糖稳定纳米铁对地表水中Cr(Ⅵ)的去除能力。壳聚糖稳定纳米铁对水中Cr(Ⅵ)的去除能力高于200目铁粉和普通纳米铁,每克壳聚糖稳定纳米铁可以去除铬148.08 mg。地表水中的Ca~(2+)、Mg~(2+)、CO_3~(2-)、HCO_3~-、有机物和溶解氧等因素都对Cr(Ⅵ)的去除产生影响,但是壳聚糖稳定纳米铁仍然显示出纳米材料所特有的优势。 4.壳聚糖稳定纳米铁对Cr(Ⅵ)的去除是基于吸附和还原的双重作用。去除Cr(Ⅵ)反应的表观一级反应动力学常数随Cr(Ⅵ)初始浓度的升高而降低。增加Cr(Ⅵ)的初始浓度促进了表面钝化层的形成降低零价铁的腐蚀速率,从而降低了Cr(Ⅵ)的还原速率。壳聚糖稳定纳米铁对Cr(Ⅵ)的吸附量与Cr(Ⅵ)的初始浓度成正比。反应的表观活化能为33 kJ mol~(-1),证明壳聚糖稳定纳米铁去除Cr(Ⅵ)的反应是由化学反应所控制的,而非物理过程控制的。壳聚糖分子鳌合了产物中的Fe(Ⅲ),使得样品表面Fe(Ⅲ)的含量增加,这也阻碍了纳米铁表面氢氧化物钝化层的形成,促进Cr(Ⅵ)的还原和去除。


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