钢渣（铁氧化物）/亚铁离子还原硝基苯研究

【摘要】： 硝基苯是一种常见的有毒有机污染物，在地表水和地下水中常有检出，其化学性质稳定，对微生物有毒性抑制作用。当微生物活动不能企及时，非生物还原转化是一条必由途径。本文研究了钢渣(铁氧化物)／Fe~(2+)体系对硝基苯的还原转化，考察了不同因素对反应过程的影响，并与纯铁氧化物和其他常见的复合矿物的去除效果进行了对比，探讨了该体系的反应机理。 为保证实验数据准确可靠，论文建立了同时测定硝基苯及其还原产物的测试方法。液液萃取-气相色谱法受预处理步骤影响较大，并且无法检测到中间产物羟基苯胺，液相色谱法则可避免各因素的干扰并对硝基苯还原产物准确测定。 利用钢渣／Fe~(2+)体系还原硝基苯发现，钢渣因其特殊的化学性质在碱性范围内有良好的缓冲能力。此时Fe~(2+)迅速转化为Fe(OH)_2墨绿色絮体，并强烈还原硝基苯，反应在1h内进行完全。考察弱酸性条件下钢渣／Fe~(2+)对硝基苯的还原，钢渣对Fe~(2+)具有强烈的吸附作用，并使得硝基苯遵循硝基苯→亚硝基苯→羟基苯胺→苯胺的途径还原，硝基苯还原符合准→级动力学。在弱酸性条件下，降低钢渣投加量将使Fe~(2+)吸附速率和硝基苯还原速率下降。提高Fe~(2+)初始浓度将同时增加溶液中酸性物质的浓度，造成硝基苯还原速率下降。提高硝基苯初始浓度将使得硝基苯反应速率常数下降。 在同样的反应条件下还研究了混合扩散、温度、常见离子和有机物存在等因素对反应的影响。增大反应体系混合程度、提高溶液pH和反应温度均能促进Fe~(2+)在钢渣表面的吸附，从而提高硝基苯还原速率。长期水洗将使钢渣表面活性物质消耗，导致Fe~(2+)吸附速率和硝基苯还原速率下降，但整个体系仍具有较强的反应活性。一些环境竞争因子能够影响钢渣／Fe~(2+)体系对硝基苯的还原。如少量溶解氧将与硝基苯竞争还原力并导致初期反应速率下降。磷的加入同样对硝基苯还原产生抑制作用。腐殖酸一方面与硝基苯竞争活性位点，造成初始硝基苯还原速率减慢，另一方面促进了Fe~(3+)还原Fe~(2+)，使得一段时间后硝基苯还原速率加快。Cu~(2+)能显著抑制Fe~(2+)的吸附，使得硝基苯几乎无法还原。对硝基氯苯没有显著影响硝基苯的还原，但两者共存时，对硝基氯苯的还原受到明显抑制。 对比不同矿物对硝基苯的还原作用，pH〈5时，赤铁矿、针铁矿、磁铁矿／Fe~(2+)对硝基苯均无还原作用。当pH〉6.3时磁铁矿／Fe~(2+)表现出表面结合铁还原作用。利用高炉渣、砾石、沸石、白云石、页岩等矿物代替钢渣发现，仅高炉渣和改性白云石与Fe~(2+)结合对硝基苯有一定还原效果。但相同条件下磁铁矿、高炉渣和改性白云石对硝基苯的还原效果均不及钢渣。 论文最后对钢渣／Fe~(2+)体系的反应机理进行了探讨，并认为钢渣中的Ca和FeO组分与Fe~(2+)结合可能是反应体系还原硝基苯的主要原因。钢渣同时具有这两种可能的还原途径，使得钢渣成为与Fe~(2+)结合还原硝基苯极佳材料。利用钢渣代替NaOH改进铁还原工艺处理高浓度硝基苯废水，或强化湿地中钢渣填料表面的Fe~(2+)生成以处理硝基苯面源污染，不仅可以节约成本和资源，更可实现废物资源化，具有广阔的应用前景。