纳米铁改性生物炭载体强化厌氧氨氧化菌富集与脱氮效果研究

为实现厌氧氨氧化菌(AnAOB)在载体生物膜中快速富集,本文采用液相还原方法制备了纳米铁改性生物炭(nZVI@BC)载体,并设置两组相同的厌氧氨氧化(ANAMMOX)富集装置(R_(1)、R_(2)),通过对R_(1)、R_(2)装置添加不同载体(分别为BC和nZVI@BC),考察在富集过程中ANAMMOX装置的脱氮性能、载体表面特征和微生物群落结构差异.结果表明:①BC表面成功负载nZVI,nZVI@BC载体比BC载体具有更高的比表面积,改性后载体的比表面积从47.17 m^(2)/g增至210.82 m^(2)/g,可为微生物提供更多的附着位点.②R_(2)装置NH_(4)^(+)-N和NO_(2)^(−)-N去除率稳定达到90%所需时间均比R_(1)装置短,且稳定运行后,R_(1)、R_(2)装置的TN去除率最高分别为86.99%、89.65%.③nZVI@BC载体表面颜色由黑色变为红褐色,表明红色的ANAMMOX生物膜初步形成,且其表面生物量比BC载体表面生物量高23倍.④第20天,R_(1)、R_(2)装置中AnAOB的相对丰度分别为10.47%和29.15%;R_(1)、R_(2)装置载体表面主要的AnAOB属均为Candidatus Kuenenia,其相对丰度分别为7.49%和23.76%.研究显示,改性的nZVI@BC载体显著促进了ANAMMOX生物膜的快速形成和AnAOB的高效富集,提升了ANAMMOX过程的脱氮性能.

炭铁材料修复三氯乙烯污染地下水的性能

采用生物炭(BC)为载体的纳米零价铁复合材料作为可渗透反应墙系统(PRB)中的反应介质,通过柱实验和渗透实验,研究了生物炭负载纳米零价铁(BC-nZVI)对三氯乙烯(TCE)的去除效果和炭铁复合材料在长期水流作用下的渗透性能.结果表明:炭铁复合材料对TCE的去除率在2h内可达到90%以上,10h时接近100%,随着炭铁复合材料的消耗,去除率逐渐降低,但在24h内仍能保持显著的修复效果,去除率保持在90%以上,72h后降为73.96%.PRB系统中反应介质材料在长期水流作用下出现明显的迁移,炭铁复合材料的稳定性随着炭铁比的减小而降低.5BC-1nZVI材料在持续3d的渗流作用下,其迁移流失率最低,相比纯BC材料的迁移流失情况具有明显的改善效果.微观结果表明球磨法可成功合成炭铁复合材料,合成后的nZVI颗粒存在一定程度的氧化,与TCE接触反应后的炭铁复合材料由于降解产物的附着,炭铁复合材料的表面会形成一层白色薄膜,孔径变小,进而炭铁复合材料对TCE的去除性能降低.

生物炭负载硫化纳米零价铁在修复土壤镉中的应用研究

Cd作为重金属污染物,具有高毒性、难去除的特点,对生态安全以及人类健康造成了极大威胁。本文以BC为载体负载硫化纳米零价铁(S-nZVI)制备了BC负载硫化纳米零价铁(BC/S-nZVI),用于Cd的修复。BC/S-nZVI对Cd修复期间,DTPA提取Cd的固化效率为82%,TCLP对Cd的固定效率为63.36%,说明BC/S-nZVI具有更好的固定化潜力,能够有效降低土壤中Cd的有效性,并减少Cd的溶解和环境风险。

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。

零价铁、铜改性生物炭及其对Cr(Ⅵ)吸附性能的影响

针对纳米零价铁(nanoscale zero valent iron,nZVI)易团聚的特性,本文用鸡骨生物炭(BC)作载体,制备出生物炭-零价铁(Fe-BC)去除Cr(Ⅵ),并与铜改性的生物炭-零价铁(Fe-Cu-BC)和BC对Cr(Ⅵ)的吸附性能进行了对比。通过扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、N2吸脱附等温线和傅里叶红外光谱(FTIR)对材料表面形貌及结构性质进行分析,同时考察了溶液pH、接触时间等条件对吸附剂吸附容量的影响,通过吸附动力学和吸附等温线分析了吸附特性。结果表明,在pH=2的条件下去除Cr(Ⅵ)效果较好;吸附平衡遵从Langmuir吸附等温式;吸附动力学符合准二级动力学方程。Fe-BC材料吸附水体污染物后可用磁分离技术加以回收。Fe-Cu-BC缩短了对Cr(Ⅵ)的吸附平衡时间。制备出的吸附剂对Cr(Ⅵ)的理论最大吸附量顺序为Fe-BC>Fe-Cu-BC>BC;同时,Fe-BC吸附量为153.60mg/g,对比于先前报道的nZVI对Cr(Ⅵ)的吸附容量85mg/g左右,有了很大的提升,说明BC作载体成功解决了nZVI易团聚的缺点,拓展了实际应用。

含持久性自由基的纳米铁生物碳降解PNP的研究

持久性自由基(PFRs)因其具有较高的反应活性和持久性逐渐引起人们的关注。该研究以含PFRs的生物炭为载体成功制备生物炭-纳米零价铁(nZVI/BC)复合材料。n ZVI/BC通过活化H2O2可在短时间内去除溶液中95.6%的对硝基苯酚(PNP),相比生物炭(P500)和nZVI材料7.2%和76.9%的去除率,n ZVI/BC表现出更高的反应活性。同时考察了材料投加量、污染物浓度、H2O2浓度以及pH值等因素对PNP降解的影响,其中pH值是主要的影响因素。测定反应体系中羟基自由基(·OH)浓度变化和材料电化学性能后发现,含PFRs的nZVI/500材料表现出更好的电子交换能力,能促进体系中·OH的生成。该研究证明PFRs能强化nZVI/BC材料对H2O2的活化性能,提高溶液中活性氧浓度,为n ZVI/BC材料在降解污染物的应用上提供新思路。

新型生物炭材料对TNT生产废水去除性能

合成了新型含持久性自由基(PFRs)的生物炭(BC_(PFRs))及其复合材料nZVI/BC_(PFRs),考察了BC_(PFRs)在添加氧化剂(BC_(PFRs)/Fe^(^(2+))/H_(2)O_(2)和BC_(PFRs)/Fe^(3+)/H_(2)O_(2))和不添加氧化剂(nZVI/BC_(PFRs))条件下对TNT生产废水的去除性能.结果表明nZVI/BC_(PFRs)的去除效果最显著,对总有机碳(TOC)的去除率为58%,对总氮(TN)的去除率为78%,Fe^(2+)/H_(2)O_(2)的矿化能力和Fe^(3+)/H_(2)O_(2)的脱氮能力在BC_(PFRs)的诱导下分别提高了8.4%和17.4%.对处理前后的废水进行毒性分析,结果表明nZVI/BC_(PFRs)处理后的出水毒性最小.GC-MS和LC-MS对废水组分的检测结果表明,处理后出水中硝基芳烃化合物的种类大大减少,nZVI/BC_(PFRs)体系对TNT生产废水的去除率最高,表明nZVI/BC_(PFRs)复合材料在难降解污染物的去除领域具有很好的应用前景.

生物炭负载纳米零价铁对厨余垃圾厌氧发酵性能的影响

利用废弃甘蔗渣热解制备生物炭(BC),进而制备生物炭负载纳米零价铁(BC-nZVI)。在中温、高温条件下研究不同BC-nZVI投加量(0,0.1,0.5,1,2 g/L)对厨余垃圾厌氧发酵性能的影响及其促进机制。结果表明:投加BC-nZVI显著提高了厌氧发酵系统的甲烷累积产量,且缩短了发酵延滞期。在其投加量为0.5 g/L时效果最佳,中温、高温处理相比对照组分别提高了36.88%和45.55%。此外,利用结构方程模型探究了BC-nZVI对厨余垃圾厌氧发酵性能的影响机制。结果显示:发酵时间、NH_(4)^(+)-N、温度和BC-nZVI显著影响累积甲烷产量。BC-nZVI的多孔性结构对挥发性脂肪酸具有一定的缓冲作用,有利于维持系统稳定性,并为微生物提供生长位点。该成果可为厨余垃圾资源化利用提供科学依据,并为BC-nZVI强化厌氧发酵技术提供指导。

生物炭负载纳米零价铁活化过一硫酸盐降解诺氟沙星

诺氟沙星(Norfloxacin,NOR)是一种含有C—F键的难降解抗生素,具有强持久性和较高毒性,传统的处理方法难以有效去除NOR.基于过硫酸盐的高级氧化技术具有较高的选择性、适应性、去除效率等优点,已被广泛研究用于有机污染物的去除.本研究以螺旋藻为原材料热解得到的生物炭(Biochar,BC)为基底,选取具有高还原能力的纳米零价铁(Nano zero-valent iron,nZVI)作为其可能的活性中心,将nZVI负载至BC表面制备了生物炭负载纳米零价铁(nZVI-BC),以综合发挥碳载体与铁活性中心的作用高效催化过硫酸盐降解有机污染,并通过研究nZVI-BC的结构特征和对NOR的去除效率,探究其对过一硫酸盐(Peroxymonosulfate,PMS)的活化效能及机理.结果表明,nZVI-BC活化PMS降解NOR具有优异的催化性能,其降解效率随着材料碳铁负载质量比(C/Fe)的减少而升高,在最佳反应条件下,当C/Fe=1:1时,120 min内nZVI-BC/PMS对NOR的去除率可达到98.8%.降解过程符合拟一级动力学,nZVI-BC/PMS体系在2 min内的降解速率可达(0.69±0.09)min-1,分别是nZVI和BC800催化PMS体系的2.55倍和6.27倍,且弱酸条件(pH=4.00)及温度升高(T=45℃)更利于nZVI-BC催化PMS降解NOR.nZVI-BC/PMS降解NOR是以·OH、·SO_(4)^(-)和参与的自由基途径及以^(1)O_(2)主导作用的非自由基途径的协同效果,贡献作用为^(1)O_(2)>·SO_(4)^(-)>·OH>·O_(2)^(-),其中,^(1)O_(2)在整个反应路径中起至关重要的作用,贡献率达38.46%.据降解产物分析,得知NOR在nZVI-BC/PMS体系中的降解主要是通过脱氟和哌嗪环的开环裂解,最终转化为短链酸、CO_(2)和H_(2)O.本研究为实现NOR在水体中的高效去除提供了一种实际可用、高效环保的方法,同时为阻控新型污染物和抗生素耐药污染提供了新策略.

生物炭负载纳米零价铁制备及修复六价铬污染土壤技术研究进展

近年来,纳米零价铁颗粒(nZVI)应用于Cr(Ⅵ)污染修复治理技术研究备受关注。生物炭负载型纳米零价铁(nZVI@BC)作为纳米零价铁改性技术之一,具有低成本、易制备和修复效果优越等优点,但此技术应用于Cr(Ⅵ)污染土壤修复方面研究尚不多。生物炭(BC)主要通过植物秸秆热解生成,生物炭负载纳米零价铁(nZVI@BC)则通过生物炭与纳米零价铁在热解-液相还原法或一步热解法合成。制备的nZVI@BC能够有效解决纳米零价铁团聚和钝化等缺点,显著提高纳米零价铁(nZVI)利用率。综述了生物炭负载纳米零价铁(nZVI@BC)应用于修复Cr(Ⅵ)污染土壤反应机理和研究进展,总结出提升该材料性能的途径有:通过调整BC热解条件和改性BC以提升BC性能;适当的质量比(BC/nZVI);使用聚乙二醇(PEG)、羧甲基纤维素(CMC)、污泥衍生的BC和茶多酚(TP)提高nZVI稳定性。nZVI@BC材料能够提高土壤中有机质含量,在Cr(Ⅵ)修复治理方面极具应用前景。