纳米铁铜去除地下水中硝酸盐的实验研究
随着工业和农业的迅速发展，近些年硝酸盐已成为许多国家地下水中的常见污染物，并且污染日益严重。作为一种新的污染控制技术，将纳米零价铁及其复合材料应用于地下水硝酸盐污染修复，表现出了非常明显的优势，已成为环境研究热点方向。 地下水成分复杂，共存离子对纳米铁系材料去除硝酸盐的影响目前没有系统的研究，而且比较贴近于实际地下水环境的砂柱、砂槽实验还很少，纳米颗粒在砂柱中的迁移沉积，以及对污染物的去除规律仍然不甚了解，因而非常有必要考虑地下水的实际水化学条件和水动力条件，对纳米铁系材料去除硝酸盐开展系统的砂柱、砂槽实验研究。 基于上述考虑，本文采用液相还原法制备了纳米级Fe/Cu金属复合材料，采用TEM分析手段对纳米材料的结构进行了表征，并且将其用于硝酸盐污染物的去除。首先研究了初始硝酸盐浓度对硝酸盐去除的影响，确定了纳米铁铜的最佳投加量;在此基础上，考察了Cl-，SO42-，HCO3-和PO43-四种无机阴离子在纳米Fe/Cu颗粒投加不足和足量条件下对硝酸盐的去除以及还原产物的影响。另外，研究了富里酸，溶解氧对纳米Fe/Cu颗粒还原硝酸盐过程的影响。开展了纳米Fe/Cu双金属的砂柱注入实验研究，分析了石英砂粒径，纳米颗粒浓度和纳米颗粒体积对纳米颗粒迁移影响，以及石英砂粒径，纳米颗粒浓度，纳米颗粒体积和初始硝酸盐浓度对硝酸盐在砂柱中去除的影响。主要结论有以下几点: (1)纳米Fe/Cu足量时，硝酸盐被彻底还原，产物只有氨氮;纳米Fe/Cu不足时，硝酸盐不能被全部还原，产物为氨氮和亚硝酸盐。 (2)当纳米颗粒的投加足量时，Cl-，SO42-，HCO3-和PO43-对硝酸盐的去除均起到抑制作用，由大到小依次为:PO43-＞ SO42-＞ HCO3-＞Cl-。其中PO43-的作用几乎不受PO43-浓度的影响，而SO42-，HCO3-和Cl-三种离子浓度越大，抑制作用越强。另外，SO42-，HCO3-和Cl-对氨氮的生成有促进作用，由大到小依次为:SO42-＞HCO3-＞Cl-，且浓度越大，促进作用越强。原因是，PO43-通过吸附作用占据铁表面的活性点位从而抑制硝酸盐还原;Cl-，SO42-，HCO3-与Fe(Ⅱ)，Fe(Ⅲ)和OH-形成绿锈，可以促进硝酸盐还原成氨氮，从而增大氨氮在产物中的比例，进而降低硝酸盐的去除率。当纳米铁铜投加足量时，SO42-和HCO3-抑制硝酸盐和中间产物亚硝酸盐的还原，其作用大小顺序为:HCO3-＞SO42-，且浓度越大，作用越强，原因是，Fe(Ⅱ)，Fe(Ⅲ)和OH-在SO42-或HCO3-的参与下形成了绿锈，而Cl-促进了硝酸盐的还原，可能是因为Cl-与Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)发生络合作用，降低了铁的氧化产物在纳米颗粒上的沉积，从而提高了NO3-和NO2-与纳米颗粒的接触。 (3)富里酸降低了纳米铁铜对硝酸盐的还原速率，对其去除率没有影响。而溶解氧降低了纳米铁铜对硝酸盐的还原速率和去除率。 (4)纳米铁铜双金属颗粒在砂柱中的截留分布情况随介质粒径，颗粒浓度和颗粒体积的不同而不同，但均在砂柱的前半部分分布较多，离出口端愈近截留量愈小。纳米铁铜颗粒对硝酸盐的还原过程中，随着研究因素的不同，NO3--N，NH4+-N，NO2--N以及总氮的变化趋势相同。取样开始，因为纳米颗粒对硝酸盐的吸附作用，使得NO3--N和总氮量为零，随即被吸附的硝酸盐开始发生还原反应，因为纳米颗粒足量，所以产物只有氨氮，随着反应进行，纳米颗粒活性降低，NO3--N和NO2--N出现，同时氨氮量下降。NO3--N浓度随时间不断增大，NO2--N浓度先增大到最大浓度后下降，说明纳米颗粒已逐渐失去对硝酸盐的还原能力。 (5)砂柱中介质粒径影响纳米铁铜双金属颗粒的迁移，粒径越大，越有利于纳米颗粒的迁移，但是介质粒径对硝酸盐的去除效果没有影响。纳米颗粒的注入体积对纳米颗粒在砂柱中的分布规律没有影响，但是注入体积越大，截留在砂柱中纳米颗粒的量越多，所以越有利于硝酸盐的还原。纳米颗粒的注入浓度越大，越有利于纳米颗粒的迁移，对硝酸盐的去除效果越佳。初始硝酸盐浓度越大，纳米颗粒维持反应活性的时间越短。
地下水污染;硝酸盐;纳米铁铜材料;环境治理
中国海洋大学
硕士
环境工程
林国庆
2015
中文
X523;X506
81
2016-01-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）