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随着采矿、冶炼、电镀、化工、电子、制革等行业的发展,铬污染物泄露事故的增多,民用固体废弃物肆意堆放和填埋以及大量农药、化肥的施用,使铬污染物进入水体,对环境的污染越来越严重。Cr(Ⅵ)离子具有极强的毒性,对人体及其它生物具有强烈的“三致”效应。在重金属污染种类中,铬污染的普遍性排在第2位,仅次于铅。因此,对含铬地下水的处理,已成为铬生产和应用工业中一个必须要解决的环境问题。
近年来,利用纳米铁系材料处理含Cr(Ⅵ)污染物已受到国内外学者的关注和研究,主要包括纳米零价铁和纳米FeS,由于其特殊的性能,如(1)比表面积大,表面能大,反应活性高;(2)粒径小利于直接注射到受污染的地下水中,在含水层中形成透水性反应墙,大大减少了工程费用,增加了灵活性;(3)具有低温效应和催化性能等,使其能够有效应用于地下水的原位和异位修复中,降解更多的污染物。而且与纳米零价铁相比,纳米FeS的Fe2+和S2-均具有还原特性,除Cr(Ⅵ)速率更快,处理效果更好,纳米FeS在地下水修复的应用中的优势更为突出。但随着研究的不断深入,发现纳米FeS在地下水修复领域仍然存在着一些问题,如微小的尺寸和极高的表面能使其在水体中易于团聚,难分散;单纯纳米铁系材料稳定性差,易失活;在土壤中的迁移性差等。这些不利因素都对纳米FeS的制备和应用产生了严峻的挑战。
针对以上问题,本文对纳米FeS制备的均相沉淀法进行改进,选择无毒、可降解高分子材料羧甲基纤维素钠(CMC)为纳米FeS的稳定剂,借鉴CMC复合纳米粒子合成与制备的成功经验,制备出稳定的纳米FeS,并研究其对地下水中Cr(Ⅵ)的去除和在土壤中的迁移性能。论文的主要内容分为以下部分:
(1)CMC稳定纳米FeS的制备:本实验采用均相沉淀法制备稳定型纳米FeS。以无毒、可降解高分子材料羧甲基纤维素钠(CMC)为稳定剂,以七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)和九水合硫化钠(Na2S·9H2O)为原料,制备了稳定、活性高且迁移性强的CMC稳定纳米FeS。
(2)CMC稳定纳米FeS表征结果显示,CMC稳定纳米FeS以非晶型为主,具有良好的分散性,纳米粒子呈球形或椭圆形,粒径的分布范围为30-100nm。用CMC包覆的纳米FeS储存24h后,仍能悬浮于水中且未发生氧化;而普通纳米铁在几分钟内便发生了下沉,1h内便氧化为黄棕色。
(3)CMC稳定纳米FeS去除Cr(Ⅵ)的批实验研究:针对目标污染物Cr(Ⅵ),CMC稳定纳米FeS对水中Cr(Ⅵ)的去除率要优于200目硫化亚铁粉和普通纳米FeS。CMC投加量、Cr(Ⅵ)初始浓度、初始pH值和反应温度等都对Cr(Ⅵ)的去除产生影响,其中pH值对还原去除效果影响最为明显。
(4)CMC稳定纳米FeS迁移性的研究:以未受污染区域的土壤为填充材料装入有机玻璃柱中(30cm×Φ3.2cm),土壤填充高度为10cm(重60g),通过土柱穿透实验模拟研究CMC稳定纳米FeS在土壤中的迁移性能。将一定量的纳米悬浮液注入土柱顶部,在小柱底部收集溢出液。微米级FeS悬浊液不能穿透土柱,CMC稳定纳米FeS和普通纳米FeS(0.25g/L以Fe计)均能穿过,各溢出液中Fe(Ⅱ)量分别占初始量的75.7%和38.9%,过滤系数λf分别为为0.0278cm-1和0.0944cm-1。表明经修饰后的纳米FeS在土壤介质中迁移性更强。