負(fù)載型納米鐵系金屬復(fù)合材料的制備及其去除水體硝酸鹽污染的研究.pdf

1、在水體硝酸鹽污染的修復(fù)技術(shù)中，納米Fe0還原技術(shù)及Fe0表面負(fù)載Ni、Cu、Pd等還原活性較低金屬的復(fù)合材料的應(yīng)用引起了人們濃厚的興趣。但所有實(shí)驗(yàn)均表明其還原產(chǎn)物以NH4+為主，且納米金屬顆粒易于團(tuán)聚的特性在很大程度上影響了其反應(yīng)活性。
　　 針對(duì)上述問題，本文以膨脹石墨(EG)作為納米Fe0與Ni、Cu、Pd等金屬的載體，主要利用以Fe(NO3)3·9H2O為鐵鹽前體的浸漬-熱處理-液相還原法（硼氫化鉀作為還原劑）制備出膨脹石

2、墨負(fù)載納米鐵系復(fù)合材料EG/Fe-Ni、EG/Fe-Cu和EG/Fe-Cu-Pd，以期納米金屬顆粒較高的分散性以及產(chǎn)物中較高的N2選擇性。首次將合成的新型復(fù)合材料用于還原硝酸鹽模擬水樣，利用SEM、XRD、XPS和ICP-OES等分析測(cè)試手段對(duì)其中EG/Fe-Cu和EG/Fe-Cu-Pd復(fù)合材料進(jìn)行了形貌表征和結(jié)構(gòu)、成分分析；對(duì)復(fù)合材料還原去除模擬水樣中硝酸鹽的效果進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了初步探討。
　　 EG/Fe-

3、Cu和EG/Fe-Cu-Pd復(fù)合材料的表征結(jié)果表明，其金屬成分以單質(zhì)為主，且彼此結(jié)合緊密，有序排列呈片狀，具有良好的分散性。通過對(duì)各種復(fù)合材料于不同實(shí)驗(yàn)條件下還原去除硝酸鹽效果的比較，篩選出效果較好的3種復(fù)合材料-EG/Fe-10％Ni、EG/Fe-13%Cu和EG/Fe-10%Cu-4%Pd。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它們都較適用于低濃度(≤60mg-N/L)硝酸鹽污染物的去除。在溶液初始pH接近中性，材料投加劑量在1～1.5g/100mL時(shí)分別

4、獲得其對(duì)NO3-的最大去除率（96.5%、91.8%和90.4%）。其反應(yīng)在前20min內(nèi)的表觀速率常數(shù)(kobs)表明，復(fù)合材料EG/Fe-13%Cu的反應(yīng)速率最大，而EG/Fe-10%Cu-4%Pd的反應(yīng)速率最小。
　　 通過對(duì)溶液中產(chǎn)物分布和總氮平衡的分析，間接求得N2的選擇性。從改善產(chǎn)物選擇性角度，篩選出較有前途的EG/Fe-13%Cu和EG/Fe-10%Cu-4%Pd復(fù)合材料。其在適宜條件下，NH4+轉(zhuǎn)化率（65.6%

5、和65.5%）幾乎相等，N2選擇性分別為25%和31.7%。相比之下EG/Fe-10%Cu-4%Pd復(fù)合材料在硝酸鹽污染的修復(fù)中具有良好的發(fā)展前景。而EG/Fe-13%Cu的N2選擇性雖然較差，但在反應(yīng)達(dá)到NO3-最大去除率時(shí)，仍有11.3%的NO2-殘留:另外，EG/Fe-13%Cu對(duì)NO2-的還原實(shí)驗(yàn)表明，其對(duì)NO2-的去除率為90%，N2選擇性為41.7%，這為其還原去除NO3-提供了一條分步還原的新思路，且在NO2-的還原過程中

6、，有望通過調(diào)節(jié)溶液的pH值實(shí)現(xiàn)更高的N2選擇性。
　　 對(duì)3種復(fù)合材料還原硝酸鹽反應(yīng)的產(chǎn)物分析表明，其對(duì)NO3-的還原反應(yīng)均經(jīng)歷NO3-→NO2-→NH4+orN2兩個(gè)步驟，且在整個(gè)反應(yīng)過程中，EG僅作為載體對(duì)納米金屬顆粒起到分散作用，自身的吸附作用對(duì)硝酸鹽的去除幾乎沒有貢獻(xiàn)。EG/Fe-Ni與其它2種復(fù)合材料不同，反應(yīng)中NO3-吸附于納米Fe0表面的活性位點(diǎn)被還原為NO2-，而NO2-又被納米雙金屬表面吸附并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為NH4

7、+。Ni對(duì)NO2-較弱的親和力及體系中pH值的逐漸增大，使NO2-在溶液中有極少量的殘留，體系中的產(chǎn)物以NH4+為主。EG/Fe-Cu與EG/Fe-Cu-Pd復(fù)合材料經(jīng)歷的第一步驟相同，均為NO3-吸附于Cu表面的活性位點(diǎn)，并被快速生成的吸附態(tài)氫原子(Hads)奪氧而迅速還原為NO2-。所不同的是，NO2-與Cu之間的親和力較弱而被釋放到溶液中，其中一部分再次吸附于Fe0表面則被轉(zhuǎn)化為NH4+或N2;另一部分則在EG/Fe-Cu反應(yīng)體系