空气稳定性纳米铁的合成及其修复地下水中TCE污染研究

摘要

作为人类重要的水资源,地下水环境面临着日益严重的污染。在我国,地下水环境的污染面积、污染程度和污染物的种类正不断扩大。三氯乙烯(TCE)等卤代烃类污染物具有较强的毒性和致癌性,是浅层地下水中主要的有机污染物之一,其较难生物降解,传统的处理方式耗资大、周期长,且存在降解不完全等问题。近年来研究发现,纳米铁金属粒子是一种高效的还原脱卤剂,能够有效地将卤代烃类的有机物转化为气态烃类。纳米铁粒径小,比表面积大,表面活性高,将其制成浆料直接注入污染的地下水中,是一种新型的原位修复技术,能够实现对污染物的快速降解。 目前,纳米铁在地下水环境的原位修复中应用尚存在一些问题,如纳米粒子微小的尺寸和极高的表面能使其在水体中易于团聚,难分散；单纯纳米铁颗粒脱氯速度慢,稳定性差,易失活；亲水性纳米铁与疏水性的重质非水相液体(DNAPL-densen nonaqoueous phase liquid)的有机分子难于接触反应；纳米颗粒降解有机卤化物的途径和反应动力学还有待进一步研究。为此,许多学者在纳米铁的合成与修饰,降解有机卤化物的效能,降解污染物的机理等方面开展大量研究。 本论文针对这些问题,结合国家自然科学基金“乳化炭载纳米铁原位修复地下水中有机氯代烃”和天津市应用基础研究资助项目“稳定纳米铁制备与修复水体中重金属的研究”的部分研究,进行了空气稳定性纳米铁的合成研究,并考察其对TCE还原脱氯性能；初步探讨了空气稳定二元金属纳米材料对TCE的还原降解及脱氯性能的长期稳定性。论文的主要研究内容包括以下几个方面： (一)分别采用表面活性剂油酸钠、不饱和有机酸油酸作为改性材料,在液相还原体系中对纳米铁粉进行同步及分步表面改性,改性后纳米铁具有良好空气稳定性。 油酸钠同步改性纳米铁(SOSNI)粒径100nm左右,呈明显核壳结构,具有较好的分散性；油酸分步改性纳米铁(OAANI)粒径在70-200nm之间,呈球形链状。 (二)改性后纳米铁处理地下水中污染物TCE效果研究。比较不同方法改性纳米铁粉对TCE的还原脱氯效果,SOSNI在250h的脱氯率达90％,离子OAANI和未改性纳米铁。考察改性后纳米铁粉对TCE还原脱氯的影响因素,SOSNI投加量为4g/L时,在250h将10mg/L的TCE去除90％。 杂质离子对SOSNI还原脱氯具有抑制作用,溶液中的HCO3-在Fe0表面形成碳酸铁盐使纳米铁表面钝化,并且为反应体系提供H+而加快Fe0的腐蚀。 当TCE浓度高于一定值时,SOSNI对TCE的降解速率随TCE初始浓度的增加而降低。 (三)初步探讨油酸钠改性纳米Fe/Cu(SOFe/Cu)二元金属的空气稳定性、脱氯性能及对TCE的脱氯长期有效性。SOFe/Cu二元金属粒径50-150nm,空气稳定性良好,呈球形链状；对TCE的脱氯效果优于SOSNI,反应体系中SOFe/Cu浓度为4g/L,在150h内能够将10mg/L的TCE全部去除；40天的长期脱氯实验表明,改性二元金属材料具有较高的稳定性和还原脱氯能力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节地下水污染状况

1.1.1地下水资源污染状况

1.1.2地下水污染修复技术

第二节地下水中有机氯污染的修复

1.2.1地下水中有机氯污染现状

1.2.2地下水中有机氯污染的修复研究

第三节零价铁去除地下水中有机氯污染物的修复技术

1.3.1零价铁还原系统及工程应用

1.3.2二元金属系统

第四节纳米铁及纳米铁复合材料应用于环境修复的研究进展

1.4.1纳米材料种类

1.4.2纳米材料特性

1.4.3金属纳米粉的制备方法

1.4.4纳米铁及纳米铁复合材料在污染地下水修复中的应用

1.4.5金属纳米粉的表面改性技术

第五节本论文的选题意义及主要研究内容

1.5.1本论文的选题意义

1.5.2论文的主要研究内容

第二章纳米铁的表面改性研究

第一节改性纳米铁合成方法及改性剂选择

2.1.1纳米铁合成方法的选择

2.1.2纳米材料制备中无氧操作方法的建立

2.1.3纳米铁的改性剂选择及合成方法

第二节实验材料及方法

2.2.1实验材料及仪器

2.2.2实验过程

2.2.3仪器分析及表征

第三节结果与讨论

2.3.1不饱和有机酸--油酸对纳米铁粉的改性

2.3.2表面活性剂--油酸钠对纳米铁粉的改性

2.3.3四种改性方法改性效果的比较

2.3.4.油酸钠改性纳米铁/铜二元金属(SOFe/Cu)

第四节本章小结

第三章表面改性纳米铁的脱氯性能研究

第一节TCE分析方法

3.1.1 GC仪器配置及分析用物品

3.1.2色谱操作参数的确定

3.1.3样品的预处理

3.1.4分析样品的标准色谱图

3.1.5方法的线性关系

3.1.6分析方法的精密度及检出限

第二节实验方法

3.2.1不同改性方法改性纳米铁降解TCE效果的比较

3.2.2 SOSNI的投加浓度对TCE脱氯速率的影响

3.2.3 TCE不同初始浓度对SOSNI脱氯速率的影响

3.2.4反应体系中杂质离子对SOSNI降解TCE的影响

3.2.5 SOFe/Cu对TCE还原脱氯效果初探

第三节结果与讨论

3.3.1不同改性方法改性纳米铁降解TCE效果的比较

3.3.2 SOSNI的投加浓度对TCE脱氯速率的影响

3.3.3不同TCE初始浓度对SOSNI脱氯速率的影响

3.3.4反应体系中杂质离子对SOSNI降解TCE的影响

3.3.5 SOFe/Cu对TCE还原脱氯效果初探

第四节本章小结

第四章结论与建议

第一节结论

第二节本论文的创新之处

第三节建议

参考文献

致谢

个人简历