沸石—纳米零价铁复合物对水溶液/土壤中Cu(Ⅱ)的去除/稳定化研究

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随着社会经济的发展,环境中重金属污染情况日益严重。本文选取在全国土壤重金属污染中排名第四位的铜作为研究对象。以沸石作为分散剂,采用液相还原法制备得到沸石-纳米零价铁复合材料。一方面研究沸石-纳米零价铁复合材料对水溶液中Cu2+的去除,采用批试验的方法研究在不同pH,固液比,温度,初始溶液浓度等条件下对铜去除率的影响。另一方面研究该复合材料对污染土壤中铜的原位固定,研究在不同的pH、材料添加量、温度、初始铜污染浓度等条件下对土壤中Cu的稳化的影响。论文的主要研究内容与结果如下:1.铁与沸石比为1:6的沸石-纳米零价铁复合材料的制备及性状表征采用液相还原法制备得到沸石-纳米零价铁复合材料。对铁与沸石比为1:6的复合材料进行了X光衍射(XRD),Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积测定及透射电镜(TEM)表征。XRD图谱显示沸石的主要成分为片沸石;纳米零价铁及沸石-纳米零价铁的图谱中均有Fe0特征峰出现;沸石-纳米零价铁的图谱中含有片沸石的特征峰且沸石的图谱未发生显著改变,说明纳米零价铁负载在沸石表面。TEM图谱显示:虽仍有部分纳米零价铁团聚成链状,而沸石的存在显著降低了纳米零价铁的团聚程度使得其分散度增加,保证了比表面积。2.不同铁与沸石比例复合材料对水溶液中Cu2+去除的比较制备过程中通过改变沸石的添加量,制备得到不同铁与沸石比例的材料。并在保证Fe0添加量相同的情况下比较不同比例复合物对溶液中Cu2+的去除率。结果表明当铁含量一定时,随着沸石添加比例的增大,纳米零价铁-沸石复合物对Cu2+的去除率先逐渐上升。当铁与沸石比达到1:8时,去除率开始下降。其中铁与沸石比的最佳比例为1:6。3.铁与沸石比为1:6的沸石-纳米零价铁复合材料对溶液中Cu2+的去除研究比较了沸石、纳米零价铁及沸石-纳米零价铁三者对Cu2+的吸附动力学。效果最好的是沸石-纳米零价铁,其去除速率最快,去除率最高,纳米零价铁次之,沸石最差。三种材料的吸附动力学过程均更符合于准二级动力学过程(根据R2的大小)。pH对沸石-纳米零价铁去除Cu2+的影响显著,pH在3-5之间时该材料对Cu2+的吸附量最高,去除率也最大均在90%以上。该复合物对Cu2+的去除率随复合物添加量的增加而增加。等温吸附实验数据显示,随着Cu2+初始浓度的升高,该材料对Cu2+的平衡吸附量升高。Langmuir方程描述的等温吸附模型更适用于描述Z-nZVI对Cu2+的吸附。另由Langmuir方程拟合得到的最大吸附量分别为793.651mg·g-1Fe0(25℃),909.091mg·g-1Fe0(45℃),由此可推知在一定的温度范围内温度升高对于Cu2+的吸附去除具有促进作用。解吸实验表明,随着初始浓度的增加,Cu2+的解吸附量也随之增加但相较于吸附量来说,解吸率只有0.2-1.5%,几乎可忽略不计。也就是说被该复合材料吸附的Cu2+很难再被解吸下来。因此沸石-纳米零价铁是一种吸附量大而解吸率低的优良的Cu2+吸附剂。三因素三水平正交实验表明沸石-纳米零价铁应用条件的最优组合为(45℃,pH=3,5.25g·L-1)4.铁与沸石比为1:6的沸石-纳米零价铁复合材料对污染土壤中铜的原位固定(1)在添加量影响实验中,实验所用的三种材料(沸石、纳米零价铁、沸石-纳米零价铁)对土壤中有效铜含量的降低均有一定的作用,其中沸石-纳米零价铁与纳米零价铁二者的效果优于沸石,且纳米零价铁对有效铜的稳化效果呈现出一定的剂量效应。(2)随着土壤铜污染浓度的升高,土壤中可浸提得到的生物有效态铜(DTPA-Cu)含量也随之增加。可浸提得到的DTPA-Cu含量与土壤中总铜含量具有一定的相关性,各组处理中DTPA-Cu含量与总铜含量的相关系数均在0.98以上。(3)升高温度可以降低土壤中有效态铜含量。40℃下各处理土壤中的DTPA-Cu含量均低于室温下相应处理土壤中的DTPA-Cu含量,并且高温下沸石-纳米零价铁对土壤中有效态铜的稳化效果更为显著。(4)不同处理中Cu的不同形态之间的相关关系不同。说明不同的改良条件可影响土壤中重金属不同形态之间的转化。随反应时间增加土壤中残渣态铜含量均会增加。其中沸石-纳米零价铁材料处理土壤中残渣态含量增加最多。
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