纳米铁系双金属复合材料还原水中硝酸盐氮详解.doc

纳米铁系双金属复合材料还原水中硝酸盐氮 摘　要:利用液相还原法分别制备了纳米Fe0 、纳米Fe/ Ni 及Fe/ Cu 粒子,并在无氧条件下将其应用于水中硝酸盐污染物的去除研究,分别考察了负载量、硝酸盐初始浓度等条件对硝酸盐去除速率的影响,并对三种纳米材料还原硝酸盐的产物及反应机理进行了分析和讨论。 实验结果表明,铜负载量为5. 0 %的纳米Fe/ Cu 粒子(投加量为1. 5 g/ L) 在20 min 内对硝酸盐的去除率接近100 % ,反应过程中有大量亚硝酸盐产生,但随着反应的进行又逐渐消失,反应的最终产物主要为氨氮,占体系总氮的75 % ,另有25 %的氮损失;在纳米Fe0 与Fe/ Ni 粒子还原硝酸盐产物中,氨氮的转化率均为95 %以上。纳米Fe/ Cu 粒子对产物的选择性优于Fe0 和Fe/ Ni 粒子。 关键词:复合材料;硝酸盐;纳米Fe0 ;纳米Fe/ Cu ;纳米Fe/ Ni ;脱硝 Key words : composite material ; nit rate ; nano2scale Fe0 ; nano2scale Fe/ Ni ; nano2scale Fe/ Cu ; denit rification 　　随着工农业的迅速发展,地下水中硝酸盐的污染已成为一个突出的环境问题,水中的硝酸盐在人和动物体内被转化为亚硝酸盐,从而导致高铁血红蛋白症,严重的可致死亡[122 ] 。因此,开展地下水中硝酸盐氮修复技术的研究越来越受到关注。目前,国内外用纳米铁来去除水体中的硝酸盐氮已成为环境修复研究中的一个热点,但是,对 于脱硝的机理和产物选择性问题的研究还比较薄弱[ 324 ] ;同时纳米零价铁可快速还原地下水中的硝酸盐,但其产物主要为氨氮,只有很小部分硝酸盐可能被转化为氮气。而大量文献研究表明[527 ] ,应用催化还原的方法可将大部分硝酸盐还原为氮气,为进一步提高纳米零价铁还原硝酸盐过程中对氮气的选择性,作者采用液相还原法在纳米铁制备的基础上制备了纳米Fe/ Ni 粒子及Fe/ Cu粒子,探讨NO- 3 - N 转化为N2 的可能性,并比较了3 种纳米铁系粒子对硝酸盐氮的去除机理。 1 　实验部分 1. 1 　试剂和仪器 NaNO3 , FeSO4 · 7H2O , NaOH , KB H4 ,NiCl2 ·6H2O , Cu (NO3 )2 ·3H2O ,无水乙醇,聚乙二醇, 均为市售分析纯试剂。DJ 1C2100W 电动搅拌器; Forma1025 厌氧操作箱; THZ282B 气浴恒温振荡器;752N 型紫外可见分光光度计;Delta2320 系列p H 计;D/ MAX22500 型X 射线衍射仪, Cu Ka 射线; PHIL IPSEM400ST 型透射电镜; ICP29000 (N + M) 型电感耦合等离子体发射光谱仪。 1. 2 　纳米铁系材料的制备 氩气保护下,将一定量的FeSO4 ·7H2O 和聚乙二醇溶于乙醇2水混合体系中(醇/ 水比为2 ∶5) ,然后在快速搅拌条件下将30 mL 1 mol/dm3 的KB H4 溶液滴加到上述体系中,滴加完毕后继续搅拌反应30 min ;然后用磁铁分离黑色产物,将上层液体弃去,并用去离子水和无水乙醇分别洗涤3 次,在氩气保护下烘干,即得所需的纳米Fe0 粒子。纳米铁镍的制备方法与纳米铁的基本相同,只是将一定质量比的FeSO4 ·7H2O 和NiCl2 ·6H2O 同时溶于醇水体系中,其他产物收集及后续处理同上,反应式如下 Fe2 + + 2BH-4 + 6H2O →Fe0 + 2B(OH) 3 + 7H2 ↑(1) Ni2 + + 2BH-4 + 6H2O →Ni0 + 2B (O H) 3 + 7H2 ↑(2) 　　实验中采用分步液相还原法制备纳米Fe/Cu 。首先制备纳米铁颗粒,然后将新制备的纳米Fe0 颗粒导入一定量的脱氧硝酸铜溶液中, 以3000 r/ min 的速度搅拌30 min 来制备纳米铁铜颗粒,其反应方程式为 Fe2 + + 2BH-4 + 6H2O →Fe0 + 2B (O H) 3 + 7H2 ↑(3) Fe0 + Cu2 + →Fe2 + + Cu0 (4) 　　将生成的纳米Fe/ Cu 双金属颗粒分离并用脱氧水和无水乙醇各洗涤3 次,最后于70 ℃烘干待用。整个纳米颗粒制备及干燥过程均在氩气保护下进行无氧操作。 1. 3 　纳米铁系材料脱硝实验 反应均在250 mL 反应瓶中进行,将一定量纳米Fe0 、纳米Fe/ Ni 以及纳米Fe/ Cu 分别加入125 mL 一定浓度的硝酸钠模拟水样中,在室温下进行振荡反应,转速为220 r/ min ,还原过程中未对溶液p H 进行控制,间隔一定时间取一定量