MW-MgFe2O4体系修复有机污染土壤研究

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随着工业化和城市化的迅速发展,我国由有机污染物造成的场地污染问题十分严峻,对人类健康和生态环境构成了极大的威胁。在污染场地修复技术中,热修复技术中的微波(Microwave,MW)修复技术作为一种新型的土壤修复技术得到广泛的应用。微波土壤修复技术具有高效、快捷、选择性加热、实用范围广等优点,适用于处理各类高浓度的有机污染物土壤。土壤吸收微波性能较差,因此选择合适的微波吸收剂促进修复效果尤为重要。镁铁氧体(MgFe2O4)因具有高催化活性和强微波吸收性能而被广泛用于处理各类废气和废水,但作为微波吸收剂处理土壤中的有机污染物尚未见报道。  本文首先考察了制备方法对MgFe2O4性质的影响,以六氯苯(Hexachlorobenzene,HCB)和硝基酚(4-nitrophenol,4-NP)为代表性有机污染物,研究了MgFe2O4的催化活性;探讨了微波场下MgFe2O4的作用机理和影响因素。主要的研究内容与结论如下:  (1)采用微波辅助化学共沉淀NaOH(M1)和NH4·OH(M2)滴加法、溶胶-煅烧法(M3)、反胶束法(M4)合成了四种镁铁氧体,考察了微波辅助化学共沉淀NaOH滴加法中煅烧温度与煅烧时间对样品结构的影响。XRD的结果显示仅M1为单相晶体,M2、M3和M4均存在杂质相,M3和M4的结晶度高于M1、M2。SEM表明除了M1,其他三种材料均为纳米尺寸。FT-IR显示,微波辅助化学共沉淀法制备的材料中OH较其他两种方法的多,且M1中600℃煅烧2h样品(M11)含有的OH多于600℃煅烧3h的样品(M12)及500℃煅烧3h的样品(M13)。  (2)以HCB污染土壤为研究对象,考察了研磨和MW条件下MgFe2O4去除HCB的效果,分析了HCB降解产物,探讨了研磨催化和MW修复作用机理。结果表明:MgFe2O4对HCB的催化效果依次为M1>M2>M3>M4,M1系列中M11>M13>M12;MW修复HCB污染土壤的效果依次为M1>M4>M3>M2,M1系列中M11>M13>M12;M11作MW吸收剂时,MW功率和含水率对修复效果影响显著,在一定的范围内,HCB的去除率随含水率的增加而显著增大。微波辐照10min后HCB的去除率接近95%,而不添加水分HCB去除率仅为18%;微波时间对修复效果影响较小,微波10min后继续增加辐照时间去除率变化小。HCB首先是通过加氢/电子脱氯机制发生还原反应,继而在微波场下,被MgFe2O4表面产生的大量·OH、·O-等自由基氧化,同时由于MW的热效应作用,加速了土壤中HCB的热脱附行为。研磨催化和微波诱导铁氧体催化反应中,HCB的降解产物无显著差异,但微波诱导下,显著提高了土壤中HCB的去除/降解。微波场下,水分不仅作为吸波剂,促进了土壤的升温,同时起到扩散和携带作用,促进了HCB从土壤中脱附。另外,水分促进了铁氧体表面产生大量的强氧化性自由基,显著促进HCB的降解。  (3)以4-NP污染土壤为研究对象,考察了研磨和MW条件下MgFe2O4去除4-NP的效果,分析了4-NP降解产物,探讨了研磨催化和MW修复机理,结果表明:MgFe2O4对4-NP的催化效果与HCB相似。M11添加量、土壤量和含水率对修复效果影响较大,在一定的范围内,4-NP的去除率随M11添加量、土壤量和含水率的增加而增大。对于15g初始浓度为100mg·kg-1的土壤添加30%M11后,辐射10min时温度可达到660℃,4-NP的去除率近65%,而对于不添加M11的土壤,MW辐射10min后温度为80℃去除率仅为2%,4-NP的初始浓度增大到500mg·kg-1后对修复效果影响较小。4-NP主要通过MgFe2O4表面产生的大量·OH、·O-等自由基氧化脱硝基而降解,GC-MS检测到的主要中间产物为邻/对/间二甲苯,另外能够检测到气体吸收液中存在少量4-NP。说明4-NP在M11存在下能够脱掉硝基,在MW条件下存在挥发作用。
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