铁碳材料的制备及其处理典型重金属配合物和含氧酸根废水的研究

【摘要】摘要：工业生产过程产生的大量含重金属废水严重污染环境,是国内外研究的热点。含重金属配合物及含氧酸根废水由于具有形态复杂多变、稳定等特征,且大多以配合物或阴离子存在,仍然是水污染治理的重点与难题。本论文分别选取工业废水中典型的重金属配合物Cu-EDTA与重金属含氧酸根Cr2O72-两种污染物为研究对象,开展了活性炭、碳纳米管载铁新材料的制备及其处理污染物的研究,旨在探索复杂重金属废水处理的新途径。主要研究内容及创新性成果如下：基于脉冲电镀的特点,研发了翻转电镀法制备铁碳材料Fe/AC的新装置,实现了活性炭表面零价铁的均匀负载。确定了Fe/AC的最佳合成条件为电镀时间30min,电流强度2.5A,电解液离子浓度150mg/L。最佳合成条件下制备的Fe/AC表面富含羟基、羧基、碳氧双键和零价铁碳基团,铁碳材料表面的基团使得铁碳材料Fe/AC有利于Cu-EDTA污染物的去除。提出并研发了制备磁性纳米铁碳材料Fe3O4/CNTs的原位还原再氧化新方法。所制备的铁碳材料具有152emu/g的高磁性,克服了普通吸附材料处理废水后难以回收的局限性；形成的羟基、羧基、基团能够有效的与废水中重金属配合物结合,使其在处理重金属含氧酸根废水方面潜力巨大。基于含Cu-EDTA配合物水化学形态的基础研究,探明了Cu-EDTA铁碳材料Fe/AC处理的影响因素与Cu-EDTA破坏机理。确定了合理的Cu-EDTA处理条件为pH=4和反应温度为298K,废水中铜离子含量由处理前的60mg/L降低至1.718mg/L。明确了羟基自由基与Cu-EDTA配合物降解的关系,提出了羟基自由基产生的必要条件为水溶液中pH<7且含有溶解氧,和羟基自由基的含量表达式为lg[OH]=36.69-lg[Fe3+]+lgP0-3pH,为铁碳材料处理重金属配合物废水提供了重要理论依据。研究揭示了常温下浓度为0.5mol/L的重铬酸钾水溶液离子分布规律：当pH<5.8时,铬的含氧酸根离子形态为Cr2O72-,KCr2O7和HCrO4存在；当pH>8.3时,铬的含氧酸根的离子存在形态为Cr042-和KCrO4-;在5.8<pH<8.3之间时以上离子共存的离子形态关系。在pH为6、温度313K、反应时间30min的优化条件下,Fe3O4/CNTs对Cr(VI)的吸附量达54.79mg/g,表明Fe3O4/CNTs的吸附性能优于目前同类吸附剂。研究阐明了Fe3O4/CNTs处理重铬酸根废水的机制,发现Fe3O4/CNTs吸附重铬酸根过程符合Langmuir模型、D-R模型和伪二级动力学模型,表明Fe3O4/CNTs对重铬酸根的吸附过程为单分子层吸附、离子交换型吸附过程,而且化学吸附过程是重铬酸根吸附的速率控制步骤。Fe3O4/CNTs的磁性全部为Fe3O4产生,且重铬酸根吸附后铬的最终状态为Cr(OH)3和Cr2O3,揭示了重铬酸根离子首先通过离子交换吸附于Fe3O4/CNTs表面,再还原为低价态的过程。计算了该类材料基团与重金属的稳定构型和轨道能量。利用MaterialsStudio5.5的DMol3模块对铁碳材料基团的基本结构进行了量子力学计算。从前线轨道理论和密度泛函理论的视角对铁碳材料处理重金属前后的稳定化能进行了模拟和分析比较,明确了铁碳材料表面各官能团的吸附功能,并获得了铁碳材料Fe3O4/CNTs处理重铬酸根前后能量与能隙的变化,揭示了羧基与重铬酸根杂化形成的配合物稳定化能最高、羟基次之,碳氧双键最弱的吸附机制,为铁碳材料应用于重金属复杂废水的深度处理奠定了基础。
【作者】陈润华；
【导师】柴立元；
【作者基本信息】中南大学，冶金环境工程，2013，博士
【关键词】重金属配合物废水；重金属含氧酸根污染物；铁碳材料；磁性吸附剂；载铁改性；机理机制；

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