乳化纳米铁降解硝基苯污染地下水的研究

【摘要】地下水作为水资源的重要组成部分，是市政、工业及农业供水的重要水源，在保障我国居民生活用水、维护生态平衡、促进社会经济发展等方面具有十分重要的作用。地下水污染具有过程缓慢、不易发现和难以治理的特点。硝基苯作为一类重要的化工原料，被广泛应用于国防、印染、塑料、农药和医药工业等行业。硝基苯属于重质非水相流体（DNAPL），一旦进入地下环境，会穿过包气带后继续垂直向下穿透含水层，当遇到渗透系数较低的单元时形成自由相的聚集池。由于地下水特殊的地质与水文环境，无法快速定位污染羽及其范围，其修复具有时间长，治理难等特点。因此，随着近年来硝基苯污染地下水事件的频繁发生，针对地下水污染场地的控制与修复也越来越受到人们广泛关注。原位反应带法作为原位修复地下水污染的一种方法，和传统的PRB有所不同，原位反应带技术不需要开挖沟槽，在污染源下游适当的位置注入反应试剂形成一个“反应区域”，污染物在随着地下水流动与该区域中的试剂发生反应，进而将污染物得以去除。随着纳米技术的发展，纳米铁由于粒径小（10-100nm）、比表面积大、环境友好、具有较高的表面吸附能力和化学反应活性等特点，现成为一种新的修复硝酸盐、重金属、有机化合物等污染场地的新技术。然而，在应用纳米铁原位修复地下水污染的过程中，存在易被氧化、易团聚、迁移性差、处理疏水性有机污染物效率低等问题。乳化纳米铁采用乳化油对纳米铁进行表面改性，为灰黑色悬浊乳状液。乳化纳米铁主要由两部分组成，一部分是外层的由表面活性剂和植物油组成的外部油膜，一部分是内部的具有反应活性的纳米级铁。乳化纳米铁在应用方面的有很多优势。首先，纳米铁表面包覆的憎水植物油膜可以阻止地下水中的无机离子和极性溶液进入核心反应区而降低纳米铁的活性或钝化其表面，保护迁移过程中不被腐蚀或氧化，同时也减小了其生物毒性；其次，制备乳化纳米铁的过程中的高能搅拌能使油膜表面带负电荷，减小了含水层介质颗粒对油滴的捕获和纳米铁颗粒的集结，增强了乳化纳米铁在含水层中的迁移和分散性能，有利于形成反应带；再次，从传质的角度看，纳米铁易与溶解相污染物发生反应，而硝基苯类中质非水相液体DNAPL水溶性较差，大部分以非溶解相存在，而DNAPL和乳化纳米铁表面包覆的乳化植物油具有类似的性质，易溶于表面油膜并扩散至纳米铁表面被还原转化或降解，而且乳化纳米铁中的表面活性剂，也能促进DNAPL溶解；最后，乳化植物油具有长期缓慢释放电子供体的性质，可以为微生物生长和污染物降解提供必要的碳源及能源。因此，乳化纳米铁反应带在一定程度上是非生物还原和生物降解为一体的组合修复技术。本研究从应用乳化纳米铁修复地下水污染的角度出发，从稳定性、反应性、迁移性三个方面考察其应用性。研究成果如下：（1）探究了乳化纳米铁的制备方法，并对其理化性质进行表征。研究通过液相还原法制备出纳米铁零价铁粒子，并将其包覆于油膜内制备了乳化纳米铁。表征结果表明乳化纳米铁粒径在100±50nm左右，植物油和表面活性剂组成的油膜填充了纳米铁表面的通道和孔洞，在纳米铁表面形成包覆的薄层，乳化纳米铁分布均匀，较未改性纳米铁团聚现象明显减少。XRD表征结果表明乳化纳米铁的主要成分为α-Fe。乳化纳米铁比表面积测定为43.9561m2/g，其较大的比表面积能提供较大的表面活性。（2）研究了乳化纳米铁对硝基苯的降解机理、动力学以及影响降解效果的因素。乳化纳米铁具有降解硝基苯的能力，且反应十分迅速，铁和硝基苯在理论摩尔比3：1条件下，乳化纳米铁可以在45min将硝基苯降解完全。乳化纳米铁降解硝基苯属于一级动力学，其反应速率常数为0.0942min-1。初始铁的投加量、植物油含量和初始pH均对乳化纳米铁降解硝基苯有一定影响。随着铁的投加量的增加，乳化纳米铁降解硝基苯的反应速率加快，较高的铁浓度为反应提供更多的活性位点，促进降解的进行。植物油含量影响硝基苯和零价铁的传质速率，其中1%和2%质量分数的乳化纳米铁对硝基苯的降解效率优于5%和0.4%。溶液初始pH对还原效率有一定影响，pH越低，硝基苯降解和苯胺速率越快，降解反应越完全，产生的苯胺越多。pH=4、5.5、7、8.5、10时，90min内硝基苯的剩余率分别为64.82%,63.27%,66.63%,68.75%,71.38%。因此，低pH有利于乳化纳米铁对硝基苯的降解。（3）乳化纳米铁改性使得纳米铁浆液的稳定性有所提高，乳化纳米铁在静止条件下30min几乎未出现明显沉降。乳化纳米铁浆液的稳定性随着铁浓度的增大而降低，随着表面活性剂的增多而提高。（4）乳化纳米铁改性强化了纳米铁浆液在含水层中的迁移，细砂中的迁移距离由4cm增加到11cm。乳化纳米铁注入含水层后引起了pH的升高和ORP的下降，注入使渗透系数有所下降。乳化纳米铁经由多孔介质出现了铁和乳化油的分离，有利于乳化纳米铁的场地应用。
【作者】温春宇；
【导师】董军；
【作者基本信息】吉林大学，环境工程，2014，硕士
【关键词】纳米铁；乳化油；硝基苯；原位修复；迁移性；

【参考文献】
[1]罗建议.无金属催化下的1,6-烯炔和芳香醛环加成反应研究[D].兰州大学,有机化学,2014,硕士.
[2]段涛.CCR2在肝癌组织中的表达及其对肝癌细胞侵袭能力的影响[D].第四军医大学,外科学（专业学位）,2014,硕士.
[3]黄饶,陈小宏,李景叶.基于谱分解的气藏识别技术与应用[J].石油地球物理勘探,2010,01:35-39+65+164+169.
[4]王芳.现代乡村生活题材水墨人物画创作浅谈[D].中南民族大学,设计艺术学,2013,硕士.
[5]陶伟辉.诸城市计生节育服务管理系统的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[6]边际.H.264压缩算法研究及在嵌入式视频监控中的应用[D].南京邮电大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[7]程影.芸薹属蔬菜耐盐基因STZ的克隆及生理性状分析[D].南京农业大学,蔬菜学,2011,硕士.
[8]赵跃.当代展览建筑中场所营造的理论与方法研究[D].华中科技大学,建筑学,2013,硕士.
[9]翟茜茜,胡国新,唐波.石墨烯杂化钛酸管复合光催化剂的制备与表征[J].上海交通大学学报,2013,05:811-816.
[10]计玮玮.高温强光诱导砂梨叶片光抑制的机理研究[D].浙江大学,园艺学,2012,硕士.
[11]吴群.氯虫苯甲酰胺在液相中的光化学降解研究[D].安徽农业大学,环境工程,2012,硕士.
[12]李想.现代招贴设计创意表现形式分析[D].东北师范大学,设计艺术学,2012,硕士.
[13]王晓丽.AC=BD在Backlund变换中的应用及偏微分方程解的完备性[D].大连理工大学,计算数学,2004,硕士.
[14]蔡然.考虑磁饱和效应的同步电机建模与参数辨识[D].广东工业大学,电气工程,2014,硕士.
[15]魏春艳.责任护士人文关怀能力现状调查及培养策略研究[D].吉林大学,护理学,2013,硕士.
[16]黄华.双相复合氧分离膜的相转化流延制备和性能研究[D].中国科学技术大学,材料学,2014,博士.
[17]徐利民.高分辨太赫兹图像处理[D].中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）,物理电子学,2013,硕士.
[18]刘强,尔联洁,刘金琨.参数不确定机械伺服系统的鲁棒非线性摩擦补偿控制[J].自动化学报,2003,04:628-632.
[19]何禹清,刘定国,曾超,文明.计及可靠性的配电网重构模型及其分阶段算法[J].电力系统自动化,2011,17:56-60.
[20]刘恋.河北保定徐水高庄“音乐会”研究[D].河北大学,艺术学,2014,硕士.
[21]何明,唐冰,李思东,汪志芬,杨子明,李普旺.壳聚糖食品保鲜膜力学性能研究进展[J].食品工业科技,2013,12:382-386+391.
[22]余盈燕.热锻模模具分区域等寿命设计研究[D].重庆大学,材料加工工程,2014,硕士.
[23]许永华,吴敏,曹卫华,宁志宇.基于图像灰度统计分布的高炉温度场动态定标算法[J].冶金自动化,2007,03:40-43+61.
[24]邢航.针刺十二原穴治疗中风后失眠症的临床疗效观察[D].广州中医药大学,针灸推拿学（专业学位）,2013,硕士.
[25]黎小莉.脑清鼻用乳剂的研究[D].广东药学院,药剂学,2013,硕士.
[26]徐冰.基于下肢姿态传感器检测的人体防摔策略研究[D].吉林大学,生物医学工程,2013,硕士.
[27]宋容光.检测混凝土强度的胀栓拔出法新技术研究[D].浙江大学,结构工程,2004,硕士.
[28]薛文辉.基于MFC的电动车销售管理系统设计与实现[D].燕山大学,计算机技术,2012,硕士.
[29]王珏基.胃肠道间质瘤的诊断、病理特征和预后分析[D].浙江大学,肿瘤学,2004,硕士.
[30]李照华,褚有群,马淳安.Ce~(3+)/Ce~(4+)电对在硫酸和甲磺酸介质中电化学性能的差异[J].电化学,2013,02:141-145.
[31]苏杰.时滞系统的最大时滞界问题研究[D].山东大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[32]刘云云.顺应理论视角下语用失误的实证研究[D].中北大学,英语语言文学,2013,硕士.
[33]曹玉霞.FDI对我国经济增长的影响研究[D].苏州大学,金融学,2014,硕士.
[34]梁铜川.直线同步电机故障诊断技术研究[D].兰州理工大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[35]岳中权.中日韩自由贸易区建设的障碍因素分析[D].吉林大学,世界经济,2013,硕士.
[36]方江涛.酰腙基稀土配合物的合成与表征和四（甲乙胺基）铪/锆的制备和纯化[D].南京航空航天大学,有机化学,2013,硕士.
[37]张玉国.我国高校竞技体育赛事资源优化配置研究[D].东北师范大学,体育教育训练学,2014,博士.
[38]王平.《土生子》：没有出路的逃跑[D].河北师范大学,英语语言文学,2004,硕士.
[39]王博.二十世纪以来女性主义的发展对法国女性服饰演变的影响[D].首都师范大学,法语语言文学,2014,硕士.
[40]王淑芳.基于蓝牙与GSM/GPRS的卫星远程教育系统回传通信方法研究[D].内蒙古大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[41]姚凌.中小企业集群区域创新环境研究[D].福建师范大学,政治经济学,2004,硕士.
[42]赵潇.宫颈癌术后螺旋断层放疗与常规调强放疗近期疗效分析及根治性放疗宫颈癌不同治疗模式的临床研究[D].中国人民解放军医学院,肿瘤学,2013,硕士.
[43]阳晶晶.针灸预处理诱导热休克蛋白表达对兔心肌缺血再灌注损伤延迟保护作用的研究[D].湖南中医药大学,针灸推拿学,2013,硕士.
[44]韦勇.拉力调控下石墨烯电子性质的理论研究[D].浙江师范大学,2009.
[45]冯志飞.H.264关键压缩算法的研究及在嵌入式视频监控中的应用[D].湖北大学,微电子学与固体电子学,2011,硕士.
[46]李嘉敏.试论维汉口译课堂教学中听力的训练方法[D].新疆师范大学,中国少数民族语言文学,2013,硕士.
[47]张明明.氮气弹簧若干关键件设计与性能分析[D].燕山大学,机械工程,2014,硕士.
[48]孙叶华.基于SPPs的纳米结构波导传输特性研究[D].南京邮电大学,光学工程,2013,硕士.
[49]曹忠诚.1，3-二甲基-2-咪唑啉酮合成工艺及应用研究[D].山东大学,制药工程（专业学位）,2013,硕士.
[50]孙文静.“给我”祈使句研究[D].山东大学,汉语言文字学,2013,硕士.