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模拟沉积物黑碳对纳米零价铁/钯降解PCB1的影响研究

施珂珂  
【摘要】:纳米零价铁(Nanoscale zero-valent iron,nZVI)还原技术是颇具前景的沉积物多氯联苯(Polychorinated biphenyls,PCBs)污染的修复技术,而沉积物中重要的有机质黑碳对修复过程的影响尚缺乏系统研究。一方面,黑碳的强吸附作用会增大PCBs的传质阻力从而抑制其降解;另一方面,近年研究发现黑碳是一种良好的电子传递介质,能够接受和释放电子,这可能会促进nZVI的还原作用。为证实该设想,本文以竹屑为原材料制备了不同热解温度的生物质黑碳,以2-氯联苯(PCB1)为目标污染物,在研究黑碳对PCB1吸附-解吸特性的基础上,开展了水溶液和沉积物中黑碳对纳米零价铁/钯(nZVI/Pd)还原PCB1过程影响的模拟实验,并结合PCB1降解过程产物的变化以及残留PCB1的形态分析,探讨黑碳的吸附-解吸作用和电子传递作用对nZVI/Pd还原PCB1的影响机制。主要结论如下:(1)随着热解温度的升高,黑碳对PCB1的吸附固定能力增强,具体表现为:黑碳对PCB1的吸附容量升高,吸附强度上升,非线性吸附程度增加,可解吸的PCB1比例减少。其中,400℃黑碳对PCB1的吸附能力最差,吸附容量仅为3642.04 mg·kg~(-1),吸附强度系数K_f为2029.12(mg·kg~(-1))/(mg·L~(-1))~n,快速和慢速解吸态PCB1的比例分别为0.228和0.223;900℃黑碳对PCB1的吸附能力最好,吸附容量为93742.5 mg·kg~(-1),吸附强度系数K_f为77853.31(mg·kg~(-1))/(mg·L~(-1))~n,快速和慢速解吸态PCB1的比例分别为0.111和0.154。黑碳上PCB1的吸附-解吸机理分析结果表明,黑碳以分配作用(主要原理为“相似相溶”)固定的PCB1,在整个解吸过程中持续释放;而以表面吸附(主要原理为孔隙填充和π-π电子供体受体作用)固定的PCB1为难解吸态且释放较慢。(2)nZVI/Pd对黑碳上吸附的PCB1降解的实验结果表明:不同热解温度黑碳对nZVI/Pd降解PCB1的影响效果不同。随着黑碳制备温度的升高,黑碳上吸附的PCB1的降解率升高,其中900℃黑碳上PCB1的48小时降解率为95.25%,与游离态PCB1的降解率(99.20%)相近。在经过48小时的降解后,低温黑碳(700℃)上残留的PCB1以难解吸态为主,快速和慢速解吸态比例分别为5.5~7.1%和9.7~12.7%,而高温黑碳(≥700℃)上PCB1几乎全为难解吸态。一方面,黑碳对PCB1的吸附作用抑制了PCB1的降解,使得黑碳上吸附的PCB1降解率比游离态的PCB1要低;另一方面,随着黑碳热解温度的升高,黑碳的电子传递作用增强,黑碳上吸附的PCB1也因此能够获得更多的[H]和电子,能被更快地降解。(3)nZVI/Pd对黑碳-沉积物体系中吸附的PCB1降解的实验结果表明:单一沉积物体系中PCB1的15天降解率为58.11%;400℃黑碳对nZVI/Pd降解沉积物中PCB1具有抑制作用,且随着黑碳添加量的增加,抑制作用增强,1%400℃黑碳-沉积物体系中PCB1的15天降解率仅为47.82%;适量900℃黑碳对沉积物中PCB1的降解具有促进作用,2%900℃黑碳-沉积物体系中PCB1的15天降解率可达75.29%。两者的影响机理不同:400℃黑碳增强了沉积物对PCB1的吸附,虽然其电子传递有一定促进作用,但总体上起到了抑制PCB1降解的作用;而900℃黑碳虽然比400℃黑碳对PCB1的吸附作用更强,但其电子传递作用较强,总体上起到了促进PCB1降解的作用。综上所述,沉积物中不同热解温度黑碳对nZVI材料降解PCBs的影响不同。低温黑碳主要以吸附作用抑制PCBs的降解,而高温黑碳主要以电子传递作用促进PCBs的降解。该研究为纳米零价铁材料修复PCBs污染沉积物提供了一定的理论依据和技术支持。


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1 施珂珂;模拟沉积物黑碳对纳米零价铁/钯降解PCB1的影响研究[D];浙江大学;2020年
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