負載型納米鐵系金屬復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技術中，納米Fe0還原技術及Fe0表面負載Ni、Cu、Pd等還原活性較低金屬的復合材料的應用引起了人們濃厚的興趣。但所有實驗均表明其還原產(chǎn)物以NH4+為主，且納米金屬顆粒易于團聚的特性在很大程度上影響了其反應活性。
　　 針對上述問題，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、墨負載納米鐵系復合材料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等分析測試手段對其中EG/Fe-Cu和EG/Fe-Cu-Pd復合材料進行了形貌表征和結構、成分分析；對復合材料還原去除模擬水樣中硝酸鹽的效果進行了系統(tǒng)研究，并對反應機理進行了初步探討。
　　 EG/Fe-

3、Cu和EG/Fe-Cu-Pd復合材料的表征結果表明，其金屬成分以單質(zhì)為主，且彼此結合緊密，有序排列呈片狀，具有良好的分散性。通過對各種復合材料于不同實驗條件下還原去除硝酸鹽效果的比較，篩選出效果較好的3種復合材料-EG/Fe-10％Ni、EG/Fe-13%Cu和EG/Fe-10%Cu-4%Pd。實驗結果表明，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時分別

4、獲得其對NO3-的最大去除率（96.5%、91.8%和90.4%）。其反應在前20min內(nèi)的表觀速率常數(shù)(kobs)表明，復合材料EG/Fe-13%Cu的反應速率最大，而EG/Fe-10%Cu-4%Pd的反應速率最小。
　　 通過對溶液中產(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復合材料在硝酸鹽污染的修復中具有良好的發(fā)展前景。而EG/Fe-13%Cu的N2選擇性雖然較差，但在反應達到NO3-最大去除率時，仍有11.3%的NO2-殘留:另外，EG/Fe-13%Cu對NO2-的還原實驗表明，其對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值實現(xiàn)更高的N2選擇性。
　　 對3種復合材料還原硝酸鹽反應的產(chǎn)物分析表明，其對NO3-的還原反應均經(jīng)歷NO3-→NO2-→NH4+orN2兩個步驟，且在整個反應過程中，EG僅作為載體對納米金屬顆粒起到分散作用，自身的吸附作用對硝酸鹽的去除幾乎沒有貢獻。EG/Fe-Ni與其它2種復合材料不同，反應中NO3-吸附于納米Fe0表面的活性位點被還原為NO2-，而NO2-又被納米雙金屬表面吸附并進一步轉(zhuǎn)化為NH4

7、+。Ni對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，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反應體系