海藻酸钠改性FeS纳米颗粒处理Cr(Ⅵ)污染土壤的机理及性能研究

来源 :成都理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:sunleilong
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土壤中六价铬(Cr(Ⅵ))的污染日益严重,Cr(Ⅵ)在土壤中迁移性强,具有致癌效应,而三价铬(Cr(Ⅲ))是人体所必须的微量元素,在土壤中能以稳定的氢氧化物形式存在,将Cr(Ⅵ)还原成Cr(Ⅲ)并通过吸附、沉淀等作用对其进行固定,是常见的Cr(Ⅵ)污染土壤处理方法。硫化亚铁(FeS)纳米颗粒可同时提供Fe(II)和S(-II)两种还原成分作为电子供体,将电子传递给Cr(Ⅵ),在应用中可以提高材料使用效率,减少投加量,近年来已被证实是一种高效处理Cr(Ⅵ)污染土壤的新材料。然而易团聚、氧化失活等缺陷使FeS纳米颗粒在实际工程应用中受到限制,对FeS纳米颗粒进行改性,从而增强其分散性和抗氧化性具有重要的研究意义和应用价值。海藻酸钠(SA)是一种可生物降解的高分子聚合物,分子中含有大量的羧基和羟基可以起到良好的空间位阻作用,有助于增强纳米颗粒的分散性和抗氧化性。因此,论文针对SA作为包覆剂的改性FeS纳米颗粒进行了实验研究,采取共沉淀法制备了具有高分散性和抗氧化能力的SA-FeS纳米颗粒。分别从颗粒制备与表征、颗粒稳定性、Cr(Ⅵ)去除影响因素和反应机理等方面进行研究,在此基础上,探讨了SA-FeS纳米颗粒对Cr(Ⅵ)污染土壤的处理性能,进而为SA-FeS纳米颗粒作为活性材料应用于Cr(Ⅵ)污染土壤处理工程提供理论支撑。主要得到以下结论:(1)研究了SA-FeS纳米颗粒的制备、表征与稳定性能。通过批实验考察了SA投加量和制备温度对Cr(Ⅵ)去除性能的影响;采用SEM、TEM、XRD和FT-IR对SA-FeS纳米颗粒的结构特性进行表征;通过沉降实验和钝化实验对比了各时间段内FeS和SA-FeS纳米颗粒的沉降距离和对Cr(Ⅵ)的去除效果。结果表明:SA-FeS纳米颗粒制备的最佳SA投加量和温度分别为0.20 wt%和35℃,SA-FeS纳米颗粒对Cr(Ⅵ)的去除率比未改性FeS纳米颗粒提高了18.58%,SA-FeS纳米颗粒呈粒径约100nm的球形或椭球形,SA主要通过分子中羧基的双齿桥接作用和羟基的分子间氢键与FeS纳米颗粒结合,包覆于纳米颗粒表面,通过静电斥力、空间位阻和隔氧作用使其具有更好的分散性和抗氧化性。(2)探究了SA-FeS纳米颗粒去除Cr(Ⅵ)的影响因素。通过批实验考察了SA-FeS纳米颗粒投加量、Cr(Ⅵ)初始浓度、反应温度、初始pH和腐殖酸对Cr(Ⅵ)去除性能的影响。结果表明:增加SA-FeS纳米颗粒投加量、减小Cr(Ⅵ)初始浓度、降低初始pH均会促进Cr(Ⅵ)的去除,在15℃-30℃范围内,增加温度对Cr(Ⅵ)去除率没有明显影响,腐殖酸(HA)的存在将与Cr(Ⅵ)竞争吸附纳米颗粒表面活性位点,降低Cr(Ⅵ)的去除率。(3)探讨了SA-FeS纳米颗粒与Cr(Ⅵ)的反应动力学和反应机理。利用反应动力学模型对实验数据进行拟合,求取表观速率常数和半衰期等参数;采取XRD和XPS对反应产物的物相和元素变化进行表征。结果表明:SA-FeS纳米颗粒还原Cr(Ⅵ)的过程符合一级反应动力学方程,增加纳米颗粒投加量、升高反应温度、降低Cr(Ⅵ)初始浓度和初始pH均有利于提高反应速率;SA-FeS纳米颗粒与Cr(Ⅵ)的反应主要以还原为主,同时伴随少量吸附,Cr(Ⅵ)被还原成更稳定的Cr2O3和Cr(OH)3两种形式,同时也会产生Fe(Ⅲ)-Cr(Ⅲ)共沉淀吸附于纳米颗粒表面,Fe(II)和S(-II)则分别被氧化为Fe(OH)3和单质S。(4)优化了SA-FeS纳米颗粒处理Cr(Ⅵ)污染土壤的反应参数。通过批实验考察了SA-FeS纳米颗粒投加量和腐殖酸的存在对Cr(Ⅵ)污染土壤处理性能的影响。结果表明:SA-FeS纳米颗粒与Cr(Ⅵ)摩尔比=3.0:1为最佳纳米颗粒投加量;腐殖酸(HA)的存在将与Cr(Ⅵ)竞争吸附纳米颗粒表面活性位点,降低Cr(Ⅵ)污染土壤的处理效果。(5)研究了SA-FeS纳米颗粒对Cr(Ⅵ)污染土壤的处理性能。通过对照实验比较了SA-FeS纳米颗粒和FeSO4溶液对Cr(Ⅵ)污染土壤的处理效果以及处理前后土壤pH的变化和Cr形态的变化。结果表明:SA-FeS纳米颗粒显示出了对Cr(Ⅵ)污染土壤更好的处理能力,经SA-FeS纳米颗粒处理后的土壤pH变化不大,而经FeSO4溶液处理后的土壤发生明显酸化;采用SA-FeS纳米颗粒处理Cr(Ⅵ)污染土壤,可将高利用度的可交换态(EX)和碳酸盐结合态(CB)转换成更稳定的Fe-Mn氧化态(OX)和有机结合态(OM),从而能有效固定土壤中的铬元素,降低生成的Cr(Ⅲ)被重新氧化的几率。
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