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纳米零价铁(NZVI)氧化还原电位低(-0.44V)、化学性质活跃,可在酸性条件下快速还原Cr(Ⅵ)。为解决Cr(Ⅵ)废水中高浓度的H+与NZVI快速反应生成H2逸散而导致NZVI电子浪费的问题,本文设计并制备出了具有核壳结构的Fe@C@PANI材料,考察了 Fe@C@PANI中ZVI还原Cr(Ⅵ)的性能和机制;在解析了材料中C层和PANI层在Cr(Ⅵ)还原中的作用机制的基础上,对C层和PANI层结构进行了优化,进一步提高了 ZVI的电子利用率。本文通过水热-碳化-表面原位聚合的方法制备了三层核壳结构的Fe@C@PANI材料。Fe@C@PANI材料可实现Cr(Ⅵ)的快速去除,在pH=1时,1.0 mg/L的Cr(Ⅵ)废水可在5 min内被完全还原去除,其去除容量高达508 mg/g。C@PANI双壳层作为ZVI的保护层,将ZVI的电子利用率从8.5%提高至50.9%。其中,PANI作为缓冲层,可快速捕获反应体系中的H+并储存在其链上,H+随后被缓慢释放并向内层扩散;C层作为H+和H2扩散的通道,可调节ZVI与H+的反应速率进而提高了 ZVI的电子利用率。本文优化了 C层的结构。首先采用活性污泥作为碳源,通过超声预处理将污泥中菌体内的溶解性碳源释放出来,通过碳化法制备出具有稳定核壳结构的污泥基磁性碳(ZVI@C),优化得到污泥预处理功率为800 W。该ZVI@C对Cr(Ⅵ)的去除容量高达203 mg/g,并将ZVI的电子利用率从8.5%提高至12%。研究表明,可通过调节污泥碳化条件、重金属和结合水的含量调控碳层的孔隙结构。本文优化得到碳化条件为:碳化温度为900℃,加热速度为10℃/min,停留时间为60 min和结合水含量为2.0 wt%。在优化条件下制备的SAC的比表面积高达1018.8m2/g,显著高于已报道的SAC(50～200m2/g)。污泥经预处理释放的溶解性碳源有利于核壳结构的形成,因此进一步考察了溶解性碳源的分子量、C/Fe 比和碳源浓度的影响。结果表明,在葡萄糖为碳源、C/Fe=20和碳源浓度为0.24 mol/L条件下,碳化合成的ZVI@C材料中ZVI的电子利用率可高达82.4%。本文优化了 PANI层的结构,结果表明,通过调控PANI孔隙结构、P型共轭结构和掺杂酸可实现PANI材料H+捕获/储存能力、给电子能力和Cr(Ⅲ)吸附能力的综合调控。为了增强PANI的孔隙结构,本研究以细菌为模板实现了 PANI孔隙结构的调控。当细菌投加量的OD600=0.536时,制备的多孔PANI(Bac@PANI)的比表面积高达51 m2/g,明显高于未改性的PANI(27.5 m2/g)。Bac@PANI的Cr(Ⅵ)最大去除容量为835.06mg/g。通过材料设计制备出不同氧化程度的PANI,证明了材料的氧化程度与H+的储存能力呈正比,PANI对H+的最大储存容量为0.278 mmol/g。PANI对H+的释放速度与掺杂酸电离H+的数量呈负相关。经不同酸掺杂后,PANI释放H+的平衡时间由15 min延长至35 min。PANI对H+的缓释能力有效地保护Fe@C@PANI中的ZVI,提高了 ZVI的电子利用率。