壳聚糖稳定纳米零价铁及衍生物在水处理中的应用

壳聚糖稳定纳米零价铁(CS-NZVI)是一种新型复合材料,兼具还原能力和吸附能力,可用于水中金属离子、含砷盐的去除和芳香族染料的降解。该文首先介绍了目前制备CS-NZVI的主要方法和特点,总结了利用CS-NZVI处理重金属离子、砷离子、染料废水的机理和应用研究进展;接着,综述了壳聚糖改性CS-NZVI、金属催化剂改性CS-NZVI及复合改性CS-NZVI的方法及其应用;最后,对优化CS-NZVI制备过程、拓宽应用条件、提高材料性能等方面提出了建议和展望。

壳聚糖稳定纳米零价铁对土壤中Cr(Ⅵ)的去除

研究了壳聚糖稳定纳米零价铁对土壤中Cr(Ⅵ)的去除效果.实验结果表明:去除效率随零价铁投加量的增加而增大,最大去除效率达95.9%,是100目铁屑去除效率的6倍;土壤p H值和土壤中Cr(Ⅵ)的初始含量与去除效率成反比;零价铁对土壤中Cr(Ⅵ)的去除是吸附作用与还原作用共同发生的结果;纳米零价铁对Cr(Ⅵ)的还原过程符合伪一级反应动力学,其表观速率常数kobs为0.016/min.

淀粉稳定化纳米零价铁活化过硫酸盐降解罗丹明B试验研究

采用由淀粉稳定化的纳米零价铁(S-nZVI)活化过硫酸钾(K2S2O8)产生具有强氧化性的硫酸根自由基(SO-4·),以罗丹明B(RhB)为目标污染物,考察了S-nZVI投加量、溶液pH值以及水中常见阴离子CO2-3、Cl-、NO-3的存在对S-nZVI/PDS反应体系降解染料废水中罗丹明B效果的影响。试验结果表明:经过淀粉稳定化的纳米零价铁的分散性和抗氧化能力均得到了增强,但并未降低其活性,能够活化过硫酸钾快速降解目标污染物罗丹明B;当罗丹明B初始浓度为100mg/L、K2S2O8初始浓度为10mmol/L、S-nZVI投加量为0.25g/L时,反应50min,S-nZVI/PDS反应体系对罗丹明B的降解率达92.0%;不同的pH值对S-nZVI/PDS反应体系对罗丹明B的降解效果没有显著影响;增加S-nZVI的投加量能够提高S-nZVI/PDS反应体系对罗丹明B的降解效率;CO2-3、Cl-、NO-3对罗丹明B的降解过程有不同程度的抑制作用,各离子对罗丹明B降解的抑制作用从大到小依次为CO2-3>Cl->NO-3。

海藻酸钠改性纳米零价铁对底泥中Cd的稳定化研究

制备了海藻酸钠改性纳米零价铁(SA-nZVI),并对其结构进行表征。用制备的SA-nZVI和未改性的纳米零价铁(nZVI)修复Cd污染的底泥,通过重金属形态、酶活性、细菌群落多样性变化评价稳定化效果。结果表明,0.10%(质量分数)海藻酸钠溶液制备的SA-nZVI对底泥中Cd的稳定效果最好,随稳定化时间的延长,残渣态质量分数升高,弱酸提取态质量分数下降,30d后相比于不添加修复剂的对照组,残渣态质量分数升高了41.79百分点,弱酸提取态质量分数下降了23.18百分点。脲酶和过氧化氢酶的活性以及细菌群落多样性均支持0.10%海藻酸钠溶液制备的SA-nZVI对Cd的稳定化效果最好。从结构上进行解释,0.10%海藻酸钠溶液制备的SA-nZVI与nZVI相比,表面覆盖了一层海藻酸钠,分散性更好,不易被氧化。

纳米零价铁改性生物炭对污染土壤中Cd稳定化效果及作用机制研究

为研究纳米零价铁改性生物炭(nZVI-BC)对土壤镉(Cd)的长效稳定机制,特别是生物炭(BC)老化过程中nZVI-BC与Cd的界面相互作用,本研究以玉米秸秆为原料制备了nZVI-BC,采用批吸附与养护试验相结合的方法并利用现代光谱分析手段探究了nZVI-BC对液相Cd(Ⅱ)的吸附和对土壤中Cd的稳定化效果与作用机制。结果表明:nZVI负载显著提高了生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附能力,nZVI-BC对Cd(Ⅱ)的饱和吸附量是BC的4.3倍(125.5 mg·g^(-1)vs 23.61 mg·g^(-1))。nZVI-BC对Cd(Ⅱ)的吸附更符合伪二级动力学方程,吸附过程以化学吸附为主;其等温吸附更符合Langmuir模型,属于单层吸附。随着养护时间的增加,生物炭表面的Cd负载量逐渐增加,老化后BC表面形成的含氧官能团是Cd饱和吸附力增加的主要原因。相比而言,nZVI-BC上Cd的负载量呈先增加后逐渐降低的趋势。沉淀与表面络合是nZVI-BC固定土壤中Cd的主要机制,而Fe含量的降低和Fe的氧化则是导致其Cd固定量降低的主要原因。尽管如此,nZVI-BC对Cd的吸附仍保持在较高水平且远高于BC。综上所述,nZVI-BC可以作为一种能够适用于中度污染农田中Cd修复的高效稳定化材料。

壳聚糖-纳米零价铁球去除水中二价镉的研究

为了更好地利用纳米零价铁修复水体镉污染,以壳聚糖为载体,制备出壳聚糖-纳米零价铁球用以去除水中的镉(Cd(Ⅱ)).利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对壳聚糖-纳米零价铁球进行表征分析,通过对比与Cd(Ⅱ)溶液反应前后的样品的X线光电子能谱探讨壳聚糖-纳米零价铁球对Cd(Ⅱ)的去除机理,并进行批实验研究环境因素对去除效果的影响.研究结果表明:制备出的壳聚糖-纳米零价铁球为规则均一的黑色球体,粒径约为3.1 mm;所有壳聚糖-纳米零价铁球均具有多孔结构,平均孔径约为40.6μm,且纳米零价铁均匀分布在球内;壳聚糖-纳米零价铁球对Cd(Ⅱ)的去除机理包括物理吸附过程和化学还原过程,且化学还原过程起主要作用;批实验结果显示壳聚糖-纳米零价铁球对Cd(Ⅱ)的去除率随pH值、反应温度和纳米零价铁投加量的增加而增大,随Cd(Ⅱ)初始质量浓度的升高而减小.

壳聚糖负载纳米零价铁对Cr(Ⅵ)吸附性能的研究

采用液相还原法制备纳米零价铁,使用质量分数为1%的壳聚糖对纳米零价铁进行改性,制备壳聚糖负载纳米零价铁吸附剂。考察pH、温度、吸附剂用量、吸附时间对Cr(Ⅵ)吸附性能的影响。再进行正交试验,探究吸附剂对Cr(Ⅵ)的最佳吸附条件。使用X射线衍射仪、扫描电镜、红外光谱对吸附剂进行表征。结果表明:吸附Cr(Ⅵ)的最佳条件是pH为3,温度为45℃,吸附剂用量为0.4g/L,吸附时间为10min。此条件下对Cr(Ⅵ)的去除效率达99.6%;各因素主次关系为pH>温度>吸附时间>吸附剂用量。吸附动力学符合二级动力学方程,吸附等温模型符合Langmuir等温模型。

改性纳米零价铁对稻田土壤As污染的修复效能

为实现对稻田土壤As污染的高效修复,通过制备C-NZVI(壳聚糖基稳定化纳米零价铁),分析其对还原态亚砷酸[As(Ⅲ)]的吸附动力学和等温吸附特征,阐明典型竞争性阴离子/分子对C-NZVI吸附As(Ⅲ)效率的影响;在此基础上,重点研究淹水和拮抗性肥料对稻土As的强化溶出效应,揭示C-NZVI对稻土液相As的异位吸附去除与原位补充钝化作用.结果表明:准一级动力学和Langmuir等温吸附模型能很好地描述C-NZVI对As(Ⅲ)的吸附过程特征,该材料对As(Ⅲ)的最大吸附量为145.09 mg/g;当竞争性K_2HPO_4、H_3BO_3、Na_2SiO_3和CH_3COOH的摩尔浓度为0.05~0.50 mmol/L时,C-NZVI对As(Ⅲ)的去除率依然高达99%.在对稻田土壤进行淹水和依次施用NH_4H_2PO_4、(NH_4)_2C_2O_4、Na_2SiO_3三种拮抗性肥料条件下,稻土中累积溶出w(水溶态As)(18.1 mg/kg)达到土壤w(As)的30.0%;对强化溶出反应后的淹水稻土进行排水并利用C-NZVI对各步分离获得的含As液相进行异位吸附,As去除率为91.3%~99.8%,该过程使稻土中w(As)减少43.4%~52.6%;进一步利用1%和5%的C-NZVI对强化溶出后的稻土进行补充钝化,可使稻土中w(非专性吸附态As)降低94.7%~100%.研究显示,淹水强化条件下,利用C-NZVI对稻田土壤As污染进行异位去除与原位钝化的联合修复可为有效减控稻田土壤As生物有效性提供有益途径.

壳聚糖稳定纳米铁的制备及其对地表水中Cr(Ⅵ)的去除性能

以可生物降解材料壳聚糖为稳定剂,制备了平均粒径为82.4 nm的纳米零价铁颗粒.热重分析表明,经壳聚糖改性后,纳米铁在340℃以下具有很好的热稳定性.批试验结果表明,壳聚糖稳定纳米铁对水体中Cr(Ⅵ)有很强的去除能力,在空气中放置60 d后,壳聚糖稳定纳米铁仍具有较高的活性.壳聚糖分子中的氨基和羟基可与Fe(Ⅲ)形成稳定的螯合物,阻止Cr(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)共沉淀的形成,从而促进零价铁的腐蚀和Cr(Ⅵ)的还原去除.

壳聚糖负载纳米零价铁去除水中六价铬的研究

本论文对比了壳聚糖稳定纳米零价铁、普通纳米零价铁和普通铁粉对水中Cr(Ⅵ)的去除效果,并通过单因素批量实验,考察了Cr(Ⅵ)初始浓度、体系温度、体系pH值对Cr(Ⅵ)去除效率的影响。

细菌和颗粒浓度对纳米零价铁材料的柱迁移性影响

通过填充柱实验研究了氢自养反硝化细菌(HB)和不同颗粒浓度对纳米零价铁(nZVI)和壳聚糖包覆纳米零价铁(CS-nZVI)在多孔介质中迁移的影响。利用穿透曲线考察了纳米零价铁材料的迁移性能。结果表明,颗粒浓度(0.2,0.5,1 g/L)对nZVI在多孔介质中的迁移性没有显著影响;CS-nZVI在低浓度(0.2 g/L)下有较好的迁移性。CS-nZVI在不同颗粒浓度下的穿透率均高于nZVI,显示出较好的迁移性能。纳米零价铁悬浮液中加入细菌,颗粒迁移性增强,其中1/3 HB条件下对nZVI和CS-nZVI迁移的促进作用更明显;细菌存在条件下,nZVI迁移性能随颗粒浓度增加而增强,而CS-nZVI的迁移性与颗粒浓度不呈正相关关系。

壳聚糖包覆纳米铁镍双金属的迁移性能及其降解地下水中三氯乙烯的研究

地下水中三氯乙烯(TCE)严重威胁公众健康和环境安全,纳米零价铁原位注射技术可以还原降解TCE,但是应用中,纳米零价铁存在易氧化团聚而失活、迁移性差等问题。为此,利用天然高分子壳聚糖作包覆剂增强分散性和稳定性,镍作催化剂增强反应活性,成功制备获得壳聚糖包覆纳米铁镍双金属颗粒(CS-Fe-Ni)。沉降光谱实验表明包覆壳聚糖后纳米铁的分散稳定性得到增强,Zeta电位测试进一步证实颗粒表面负电荷增加,提高了静电排斥力,使得CSFe-Ni分散稳定性明显改善。柱迁移实验表明改性后的CS-Fe-Ni迁移能力得到提高。批实验表明CS-Fe-Ni能够高效降解TCE并能完全脱氯,研究结果为纳米铁原位注射技术的实际应用提供了理论基础和实验参考。

磁性壳聚糖纳米材料对水中Cu(Ⅱ)吸附性能的研究

利用壳聚糖制成的纳米零价铁磁性壳聚糖(nZVI-MCS)材料。通过磁滞回线分析了该材料的超顺磁特性,运用透射电子显微镜(TEM)和扫描电镜(SEM)对其理化性质进行表征,同时探讨了溶液pH值、反应时间和初始Cu(Ⅱ)质量浓度等因素对吸附效果的影响以及nZVI-MCS对水溶液中Cu(Ⅱ)的吸附动力学分析。表征结果显示,纳米粒子的饱和磁化强度是59.50 emu/g;nZVI-MCS成功负载了α-Fe,且颗粒近似球形,呈团聚状。实验结果表明,nZVI-MCS)在pH为5时表现出较好的吸附性能。nZVI-MCS对Cu(Ⅱ)的吸附与二级动力学模型拟合度较好。吸附符合Langmuir和Freundlic吸附等温线模型,且在25℃下吸附58.80 mg/g。利用磁铁对溶液中磁性壳聚糖纳米粒子进行回收,回收率达到78.9%。因此,nZVI-MCS作为吸附剂能用于去除水中Cu(Ⅱ)。

硫化纳米零价铁对PCB153的降解研究

硫化纳米零价铁(S-nZVI)是近年来兴起的一种纳米零价铁改性材料,已有研究发现其在重金属污染物去除方面具有较好的效果,而有关其对多氯联苯(PCBs)的反应活性目前尚未见报道.因此,本研究对比了采用前置硫化合成法制备的S-nZVI(S/Fe=0.103)、纳米零价铁(nZVI)和羧甲基纤维素稳定纳米零价铁(CMC-nZVI)3种纳米零价铁材料降解六氯联苯PCB153的反应动力学,研究了pH值、阴离子、腐殖酸(HA)等因素对该反应的影响,分析了反应前后材料表面性质的变化,探讨了脱氯路径和反应机理.结果表明,3种纳米零价铁材料对PCB153的降解反应符合准一级动力学,降解机理相似,降解效果依次为CMC-nZVI>nZVI>S-nZVI.硫化改性降低了nZVI去除PCB153的反应活性,S-nZVI表面的硫铁化物并未直接参与PCB153降解反应,S-nZVI反应活性低的原因可能是硫铁化物的形成损耗了一部分Fe^0的还原能力.此外,与CMC-nZVI、nZVI不同,高pH更有利于S-nZVI对PCB153的降解,阴离子和HA对3种纳米零价铁活性的影响规律相似.研究结果可为S-nZVI在持久性有机污染物降解中的应用提供理论依据和技术支持.