纳米铁及铁钯复合材料的制备与修复地下水基础研究

论文摘要

硝酸盐和有机氯化物是当前地下水中的主要污染物。由于水中的硝酸盐会以直接或间接的方式危害人类健康;有机卤化物是一种毒性强、难生物降解的环境污染物,传统处理技术存在着降解不完全、效率低等不足。纳米技术的发展给污染物的处理带来了一种新的颇具潜力的方法,纳米材料具有粒径小（1100nm）,比表面积大,表面活性高等特点,能够快速去除水中有机物、重金属和无机营养盐等多种污染物,并可直接注入含水层实现原位修复,因而成为地下水修复领域的研究热点。新兴纳米技术在环境中的应用,使得地下水原位修复变得可能,纳米材料能够原位高效快速的去除环境中的污染物,但是也存在一定的问题:国内外对纳米铁还原地下水中的硝酸盐氮的产物和反应机理还没有统一认识;利用简单液相法合成出的纳米材料都很难在空气中稳定存在,容易团聚,而且成本较高,故使得纳米材料在实际应用中受到了很大的限制。针对这些问题,本文结合南开大学与天津大学科技合作项目“沿海城市水环境生态修复基础研究”及国家自然基金“乳化碳载纳米铁原位修复地下水中有机氯代烃研究”的部分内容,利用微乳液法制备纳米材料,并利用合成的材料进行了脱硝,脱氯的实验研究,并对合成纳米材料的稳定性作了探索性研究。论文的主要研究内容分为以下三部分:1.利用环境友好的非离子型表面活性剂Span80和Tween60进行复配作为混合表面活性剂简称S-T;在S-T的HLB为14,油相（异辛烷）与S-T质量比为2:1,助表面活性剂（正丁醇）与S-T质量比为1:2条件下可形成较大微乳区域;以此微乳液为反应介质合成了粒径为80nm,主成分为α-Fe的铁粒子,并用透射电镜（TEM）, X射线衍射仪（XRD）等分析技术对所得纳米微粒的特性进行了表征。2.论文进行了自制纳米铁去除水样中硝酸盐氮的研究,探讨了溶液初始pH,纳米铁加入剂量,硝酸盐氮初始浓度,溶解氧等因素反应的影响,分析了产物和反应动力学。主要结论有:（1）纳米铁粒子具有很高的活性,只需控制无氧,在室温、振荡条件下,无需调控pH值即可与硝酸盐在30min内迅速完全的反应。效果远优于普通零价铁;（2）分散强度对硝酸盐氮去除速率有很大影响,一定强度的振荡和超声均能达到较好的分散效果,促进反应迅速进行。使用振荡器时,振荡强度越大（转速越高）反应速率越快;使用超声分散时,过高或过低的声功率均不利于反应的进行,声功率为70w/cm2时可以获得满意效果。（3）对于同样浓度的硝酸盐溶液,纳米铁加入量增加,反应速率加快;纳米铁量一定时,硝酸盐氮浓度越高,反应速率越快。体系溶解氧存在时对反应有一定的抑制作用,这种作用在纳米铁用量较低时比较明显。（4）反应过程中硝酸盐氮浓度随时间单调减少,氨氮浓度随时间单调升高,而亚硝酸盐氮的浓度在反应过程中出现极大值,得出纳米铁降解硝酸盐氮的过程具有连续反应的特征;（5）提出NO3-→NO2-→NH4+为主要的反应路径,认为纳米铁与硝酸盐氮脱硝反应是吸附与氧化还原并存的过程;产物主要为氨氮的观点;pH、分散情况、反应物浓度和剂量、DO等实验条件对最终产物未产生显著影响;（6）实验室制备的纳米铁对实际地下水脱硝有很好的效果;纳米铁在15min内的硝酸盐氮的去除率就能达到99%。3.选择CTAB微乳体系合成纳米铁钯复合材料,并成功制备出粒径80nm的纳米级铁钯,得出如下结论:（1）利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为表面活性剂形成的微乳体系来制备纳米复合材料时,配比为CTAB与助表面活性剂（正丁醇）质量比为1.2,油相（异辛烷）与乳化剂质量（CTAB与正丁醇混合液）比为1.5,微乳体系可合成出粒径80nm左右的铁钯双金属;且合成的纳米复合材料具有一定的空气稳定性（air-stable）;（2）在低投加剂量与低钯化率时,可达到快速脱氯效果;0.5%的钯化率,1.6g/L投加剂量,TCE初始浓度为15mg/L,30min脱氯效率可达到99%,效果非常理想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第一节 地下水及污染
• 1.1.1 地下水定义与内涵
• 1.1.2 我国地下水资源状况
• 1.1.3 地下水水质污染状况
• 1.1.4 地下水中硝酸盐污染的情况
• 1.1.5 地下水中有机氯污染状况
• 第二节 地下水污染修复技术综述
• 1.2.1 地下水中硝酸盐氮的修复技术
• 1.2.2 地下水中有机氯代烃的修复技术
• 第三节 论文选题的意义和主要研究内容
• 1.3.1 研究的意义
• 1.3.2 研究的内容
• 第二章 纳米材料及制备
• 第一节 纳米技术
• 2.1.1 纳米
• 2.1.2 纳米技术
• 第二节 纳米材料制备技术
• 2.2.1 物理法
• 2.2.2 化学法
• 2.2.3 物理化学法
• 第三节 合成纳米材料方法的选取
• 第三章 微乳液法合成纳米铁粒子的研究
• 第一节 微乳液的定义和组成
• 3.1.1 微乳液定义与特点
• 3.1.2 微乳液组成
• 3.1.3 微乳液各组分作用
• 第二节 微乳液反应器制备纳米材料
• 3.2.1 微乳反应法制备超细材料的机理
• 3.2.2 微乳液反应器特点
• 第三节 材料与方法
• 3.3.1 实验材料
• 3.3.2 方法
• 第四节 微乳液的配制
• 3.4.1 微乳体系的确定
• 3.4.2 微乳体系最佳配比的确定
• 3.4.3 微乳液的导电性质研究
• 3.4.4 结论及最佳体系的选择
• 第五节 纳米铁的制备
• 3.5.1 含盐溶液的微乳配制
• 3.5.2 纳米铁的合成
• 3.5.3 纳米铁的收集
• 3.5.4 纳米材料的表征
• 第六节 本章小结
• 第四章 纳米铁去除水中硝酸盐氮的研究
• 第一节 仪器和药品
• 第二节 实验方法
• 4.2.1 不同铁粉对硝酸盐氮去除的影响
• 4.2.2 初始pH值对反应的影响
• 4.2.3 不同分散方式对反应的影响
• 4.2.4 纳米铁加入剂量/铁比表面积浓度对反应的影响
• 4.2.5 不同硝酸盐氮初始浓度对反应的影响
• 4.2.6 溶解氧对反应的影响
• 第三节 结果与讨论
• 4.3.1 不同铁粉对硝酸盐氮去除的影响
• 4.3.2 初始pH值对反应的影响
• 4.3.3 不同分散方式对反应的影响
• 4.3.4 纳米铁加入浓度对反应的影响
• 4.3.5 不同硝酸盐氮初始浓度对反应的影响
• 4.3.6 溶解氧对反应的影响
• 第四节 产物分析和动力学
• 4.4.1 产物分析和机理初探
• 4.4.2 动力学分析
• 第五节 实际应用探讨实验
• 第六节 本章小结
• 第五章 纳米铁钯复合材料制备与脱氯研究
• 第一节 引言
• 第二节 实验材料和方法
• 5.2.1 实验试剂
• 5.2.2 实验仪器和设备
• 5.2.3 纳米铁钯双金属复合材料的制备工艺
• 第三节 纳米级铁钯双金属复合材料的制备与表征
• 5.3.1 乳化剂的选择
• 5.3.2 助乳化剂的选择
• 5.3.3 最佳体系的配比选择
• 5.3.4 微乳液配制
• 5.3.5 纳米粒子的制备
• 5.3.6 制备步骤需要注意的问题
• 5.3.7 纳米铁钯材料的表征
• 第四节 纳米铁钯复合材料对TCE脱氯效果的测试
• 5.4.1 方法
• 5.4.2 分析方法
• 5.4.3 脱氯活性实验
• 第五节 小结
• 第六章 纳米材料稳定性初探
• 第一节 纳米材料稳定性探讨
• 第二节 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 第一节 实验结论
• 第二节 本论文创新之处
• 第三节 建议
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历