纳米零价铁颗粒去除水中重金属的研究进展

重金属是毒性大、难降解、易累积的环境污染物,纳米零价铁作为一种新型功能修复材料在去除水体和土壤中重金属方面有着广阔的应用前景.本文综述了纳米零价铁颗粒去除水中重金属的研究进展,包括纳米零价铁的常用制备方法及特性、去除效能、对不同重金属的去除机理以及发展前景和今后的研究方向,以期为该领域的深入研究提供借鉴并拓展新的思路.     

纳米零价铁处理含重金属工业废水研究进展

纳米零价铁材料（nanoscale zero-valent iron, nZVI）是环境领域应用最广泛的纳米材料之一,因其原材料来源丰富、反应产物环境友好,在分离/固定水中重金属方面得到了广泛的研究.实验室研究表明,nZVI能够有效去除复杂实际废水中铜、砷、铅、锌、金等多种重金属,表现出较高的去除负荷.本研究团队在国内首先研究以nZVI技术为核心,开发分离、固定重金属工业废水中重金属的针对性废水处理工艺.构建了废水处理“反应-分离-回用”式纳米零价铁反应器（nano iron reactor, NIR）装置,通过“小试—中试—工程应用”逐级科学放大,将其应用于多种重金属工业废水的处理当中.本文总结了纳米零价铁废水处理工艺,综述了NIR反应器技术处理典型重金属废水的中试和工程应用案例,为nZVI的实际环境应用以及重金属废水处理提供了理论及技术借鉴.     

零价纳米铁对大肠杆菌的毒性效应

以大肠杆菌为研究对象,通过检测尺寸为20 nm的零价纳米铁暴露下大肠杆菌形貌、生长曲线和细胞内酶活性的变化,研究了零价纳米铁对大肠杆菌的毒性效应,并探讨了其可能的毒性机制.用透射电镜(TEM)观察零价纳米铁与大肠杆菌(JM109)接触后细胞的形态变化;用0、112、560和1 120 mg·L-1的零价纳米铁染毒大肠杆...     

负载型纳米零价铁对蛋白核小球藻的毒性研究

负载型纳米零价铁不仅能够克服单一纳米零价铁(nanoscale zero-valent iron,nZVI)不稳定、易团聚等缺点,还能提高污染物的去除效率,因此被认为是一类具有广泛应用前景的高效环境修复材料.然而,纳米零价铁及其复合材料在应用过程中可进入环境,对环境及生态系统存在潜在风险.因此,为充分评估其应用对水环境的潜在危害,本文以蛋白核小球藻为受试生物,研究了负载型纳米零价铁(supported nanoscale zero-valent iron)D201-ZVI的藻类毒性及其影响因素.结果表明,负载型D201-ZVI可以显著降低nZVI生物毒性,在pH=6～10的范围内毒性效应会随pH的增加而减弱,共存污染物Cr(Ⅵ)及磺胺甲噁唑(sulfamethoxazole,SMX)均会增加D201-ZVI对蛋白核小球藻的生长抑制作用.D201-ZVI在环境中的老化作用可以减弱其生物毒性,且其毒性作用会随着暴露时间的延长而逐渐消失.D201-ZVI是一种对生物及环境安全友好的新型材料.     

改性零价铁降解多溴二苯醚的研究进展

多溴二苯醚(PBDEs)是一类持久性有机污染物(POPs),其无害降解技术是一个研究热点.PBDEs的降解方法包括生物降解、光降解、电解降解、零价铁(ZVI)还原降解、Fenton试剂氧化降解等.其中,零价铁因其优良的还原性能,被逐渐应用于PBDEs等POPs的还原降解,但零价铁因比表面积小、易团聚、易氧化等缺点,需通过改性以改善其降解效果.本文重点从减小铁颗粒粒径、应用搭载系统、加入活性金属、添加表面活性剂、使用辅助手段(超声或微波等)等5个方面综述了改性零价铁降解PBDEs的研究进展,讨论了各改性方法的优缺点,介绍了卤代有机污染物脱卤产物的后续降解方法,并展望了今后的研究重点.     

免浸渍碳热法制备纳米零价铁/多孔碳复合材料

以机械化学研磨法制备的Fe-EDTA聚合物为前驱体,开发了一种免液相浸渍的碳热法,来实现对多孔碳材料固载纳米零价铁.考察了Fe-EDTA聚合物碳化温度、与多孔碳的混合方式及质量比等因素对零价铁负载的影响.相比于传统液相浸渍+碳热法制备的零价铁/多孔碳复合材料,免浸渍碳热法所得复合材料的表面积大、吸附位点多、零价铁粒径小且均匀.以所制备的零价铁/多孔碳复合材料为催化剂/吸附剂,用于水样中甲基橙、Cr(Ⅵ)及污水中COD的去除.结果 表明,与液相浸渍+碳热法制备的复合材料相比,免浸渍碳热法制备的零价铁/多孔碳复合材料的零价铁具有纳米级粒径,因此拥有超高的活性,可更有效地吸附、还原及氧化降解污染物,且表现出良好的重复利用性.动态装柱实验表明,该复合材料在较长时间内可以稳定去除污水中的COD.     

弱磁场强化零价铁去除水中砷的效果

砷是一种有毒的类金属污染元素,许多工业场地土壤与地下水发现砷严重超标.本文对20 mT弱磁场促进零价铁去除砷的效果、影响因素和机理进行了实验室研究.结果表明,当初始pH=5—9时,外加弱磁场对零价铁除砷反应动力学影响显著,尤其在pH=7时,反应动力学速率常数从0.21 s~(-1)升高到1.14 s~(-1),增大了443%;2 h内去除率由30.9%提升至89.1%,提高了189%.在初始pH=7,更小粒径(5—9μm)的零价铁条件下,弱磁场促进零价铁除砷的效果更显著.由反应后剩余固体的SEM图可知,外加弱磁场下,零价铁颗粒表面的腐蚀产物明显增多.XPS分析结果表明,弱磁场环境下更多的氧气参与反应,促进了零价铁的腐蚀,生成更多的铁氧化物和氢氧化物,从而加速了砷在零价铁及其氧化物、氢氧化物表面的吸附和共沉淀.弱磁场可以显著促进零价铁对砷的去除,且无需外加能源和药剂投入,绿色环保,具有良好的发展前景.     

预磁化强化零价铁除偶氮染料的性能研究

考察了预磁化对零价铁去除水中甲基橙、苋菜红、金橙Ⅱ、氨基黑和肼黄等不同偶氮染料性能的影响,结果表明,预磁化强度由0逐渐增大至750 m T时,零价铁去除甲基橙的表观速率常数由0.0078 min~(-1)逐渐增大至0.0677 min~(-1),反应速率提高倍数达到1.4—8.7倍.预磁化后的零价铁(Mag-ZVI)除甲基橙表观速率常数与其剩磁呈线性正相关,这一定程度上说明了预磁化对零价铁除污染活性的强化作用主要与其颗粒剩磁有关.通过系统考察了Mag-ZVI在不同p H条件下对甲基橙的去除性能以及Mag-ZVI对苋菜红、金橙Ⅱ、氨基黑和肼黄的去除性能,进一步证实预磁化对于零价铁在不同反应体系下除偶氮染料均呈现正面效应.预磁化对零价铁去除染料的强化作用具有一定的普适性,其在印染废水处理中具有广阔的应用前景.     

纳米Fe~0协同微生物对PCB77的降解研究

研究了纳米零价铁协同微生物降解水溶液中的PCB77。从污染土样中分离出一株多氯联苯（PCBs）降解菌,对其进行革兰氏染色形态观察,并用降解菌降解PCB77。结果表明：培养温度30℃、溶液pH 7.0、微生物接种量109 cfu·mL-1、PCB77初始质量浓度1.0 mg·L-1时,降解菌对PCB77的降解率为58.63%。纳米零价铁对PCB77的降解是一个还原脱氯过程,7 d时的降解率为82.99%。采用纳米零价铁/微生物联合体系降解水溶液中PCB77,降解率显著高于微生物和纳米零价铁单一体系,降解率可达93.30%。研究结果将为环境中PCBs残留提供了一种高效去除的方法,并为PCBs污染土壤的修复提供理论依据。     

生物炭负载纳米零价铁材料的制备及还原降解性能

选取花生壳、稻草秸秆和玉米秸秆为原料制备不同种类生物炭,合成不同生物炭负载纳米零价铁复合材料(BC/n ZVI)。采用比表面积分析、扫描电镜等多种表征方法获得不同BC/n ZVI的物理化学和结构性质,测试BC/n ZVI对水溶液中典型有机氯农药γ-六六六的还原降解效果。结果表明,花生壳、稻草秸秆和玉米秸秆均在300℃制备条件下有较高的产率和较好的吸附效果;制备的BC/n ZVI颗粒呈球状结构,以花生壳BC/n ZVI分散性为最好;在水相实验中,添加BC/n ZVI对γ-六六六的去除效果优于单独添加生物炭或者纳米零价铁的效果;3种生物炭基材料中,花生壳BC/n ZVI对水相γ-六六六6 h的去除率为87.53%,反应体系中污染物总降解率达82.33%。     

生物炭负载纳米铁活化过硫酸盐去除土壤中的五氯联苯

以污染土壤中检出量较高的PCB118为目标污染物,采用银杏叶提取液绿色合成纳米铁材料(nZVI)、玉米秸秆制备生物炭(BC),将nZVI负载在BC表面合成生物炭负载纳米零价铁复合材料(BC-nZVI),利用制备的BC-nZVI复合材料催化活化过硫酸盐(PS)去除土壤中PCB118。主要探讨了在生物炭负载纳米零价铁活化过硫酸盐体系(BC-nZVI/PS)中复合材料BC-nZVI碳铁比及其投加量、PS浓度、pH值、温度等因素对PCB118去除速率的影响。结果表明,反应时间为24h时,碳铁比为2?1时BC-nZVI反应体系对土壤中PCB118去除效果优于其他3种比例。实验条件下,随着BC-nZVI的投加量由0.002 g增加到0.500 g,PS浓度由0.05 mol·L^-1增至0.35 mol·L^-1,温度由15℃升高到45℃,土壤中PCB118的去除率分别增加了32.4%、10.6%及14.7%。随着溶液初始pH值由3升到9,土壤中PCB118的去除率降低了11.4%。单因素实验数据显示,在BC-nZVI的投加量为0.500 g,PS浓度为0....     

纳米零价铁的微生物毒性效应研究进展

纳米零价铁(nanoscale zero-valent iron,NZVI)是一种新型的地下水修复材料,NZVI的生物安全性研究已经引起了世界各国学者的广泛关注。本文综述了国内外有关NZVI微生物毒性的研究成果,重点介绍了NZVI对微生物的毒性效应及致毒机理,归纳总结了影响NZVI颗粒毒性效应的各种因素,并对未来NZVI材料毒性研究的发展方向进行了展望,以期为NZVI的生物安全性研究提供参考。     

修复硝基苯污染底泥的活性覆盖材料筛选

针对硝基苯污染底泥修复的活性覆盖技术,筛选了适合阻断底泥中硝基苯释放的还原剂和吸附剂.采用的零价铁可迅速将难生物降解的硝基苯还原为苯胺,提高其生物可降解性,有利于将污染物彻底去除.零价铁对硝基苯的还原反应速率随着零价铁剂量的提高而提高,反应速率常数≥>10.001 min~(-1).吸附试验结果表明,在煤渣、活性炭、焦炭以及硅藻土几种常见的吸附剂中,活性炭具有最佳的吸附能力,但是其价格昂贵,不适于大规模应用.而廉价易得的煤渣对硝基苯及其降解产物苯胺具有良好的吸附性能,对硝基苯和苯胺的最大理论吸附量达到924.9 mg·kg~(-1)和1692.2 mg·kg~(-1).因此提出以煤渣为吸附基质,并添加一定比例零价铁的复合活性覆盖材料,为硝基苯污染底泥修复提供一种新的方向和基本参数.     

绿色合成膨胀石墨负载纳米零价铁去除水中Cd(Ⅱ)

工业生产中Cd(Ⅱ)对水体的危害,本文合成了两种新型吸附剂,纳米零价铁(nZVI)和膨胀石墨负载纳米零价铁(EG-nZVI).利用FESEM、EDS、TEM、XRD、FTIR及BET比表面积测定对nZVI和EG-nZVI进行表征,探讨了二者对溶液中Cd(Ⅱ)的去除效果.结果 表明,含有100 mg·L-1Cd(Ⅱ)溶液,nZVI和EG-nZVI的投加量分别达到0.4 mg·L-1和2 mg·L-1,在超声波辅助的条件下,常温、pH 8、反应30 min时,Cd(Ⅱ)去除率分别为56.3％和78.4％.EG-nZVI和nZVI去除Cd (Ⅱ)过程均符合伪二级动力学模型和Langmuir吸附等温模型;将吸附剂置于空气中不同时间,测定结果显示EG-nZVI对Cd(Ⅱ)的去除活性明显高于nZVI,说明EG-nZVI较nZVI有更高的去除效能和稳定性.     

纳米铁去除水体中镉的反应动力学、吸附平衡和影响因素

镉(Cd)具有致癌、无生物降解性和生物累积性特点,日益严重的镉环境污染问题已引起人们广泛关注。纳米铁是一种能有效去除多种有机和无机污染物的吸附剂。采用批实验方式研究纳米铁(nZVI)吸附镉的动力学和去除效率,可为深入研究纳米铁在重金属Cd污染修复的可行性方面提供理论支撑。利用透射电镜和扫描电镜等对实验室合成的纳米铁颗粒进行了表征,结果表明,纳米铁颗粒平均BET比表面积为49.16 m~2·g~(-1),粒径为20—40 nm。探讨了多种影响因素对纳米铁颗粒吸附镉的影响,如溶液pH、反应时间、初始浓度和纳米铁投加量。同时研究了Cd2+的准一级和二级反应动力学,应用Freundlich、Langmuir和Temkin等温吸附模型进行平衡吸附研究。结果表明,纳米铁对水溶液中镉吸附是化学吸附。颗粒内扩散模型表明粒内扩散不是控制反应速率的唯一步骤。吸附动力学研究表明,nZVI吸附Cd2+过程符合准二级反应动力学模型。平衡吸附数据能够很好地符合Langmuir、Freundlich和Temkin模型(r~20.95)。通过Langmuir模型获得室温下吸附剂单层Cd吸附量为256.4 mg·g~(-1)。在pH 7和(25±1)℃条件下,纳米铁能够有效吸附镉。当nZVI颗粒投加量为1.00 g·L~(-1),Cd~(2+)初始质量浓度为74.51 mg·L~(-1)时,24 h之内,Cd2+去除率达到98.62%。纳米铁可作为一种用于水体镉去除的非常有应用前景的材料。     

零价铁原位控制底泥磷释放及联合磁性分离除磷技术

水体富营养化是常见的世界性水体生态系统障碍问题之一,给人类生产、生活造成了广泛而严重的影响,同时也是造成世界各地结构性缺水的重要原因之一。底泥磷释放是水体富营养化的重要原因,但目前常用的控磷技术往往成本较高,内源磷再释放风险仍然较大。该研究按铁-泥质量比1.00%、3.33%、5.00%、10.00%,分别向富磷底泥投加的铁粉来模拟零价铁控磷过程,通过分析3、7、14、21、28、35d内底泥磷形态的变化趋势,研究零价铁控磷过程及磁性分离除磷技术的应用前景。结果表明:底泥中水溶性磷、弱结合态磷是水体磷元素的主要来源,零价铁对底泥中高生物活性的弱吸附态磷(NH4Cl-P)去除率最高可达75%,对水溶性磷的去除率可达90%以上,向富磷底泥投加零价铁能够原位富集、降低内源磷生物有效性,阻断底泥向水体释磷的过程;零价铁原位控制底泥磷释放主要依赖于零价铁氧化形成的铁离子和铁氧化物与磷酸根的沉淀和共沉淀过程,加入零价铁后水溶性磷和弱结合态磷主要向铁结合态(Fe-P)转化,联合外加磁场后大部分可随铁粉拔出,最终达到安全高效地去除水体和底泥表层中高生物有效性磷的目的。该方法可以有效解决挖掘清淤、疏浚等控磷方法高成本、易反复的问题,为高效原位治理水体富营养化,保障湖泊、水库生态环境安全提供有价值的技术方法。     

硝基苯厌氧降解过程中Fe0的促进作用

尝试在硝基苯生物厌氧降解过程中,添加零价铁实现电子催化与生物代谢的协同作用,结果发现零价铁能够促进硝基苯的厌氧转化并主要生成苯胺,初始浓度为240.00mg·l-1的硝基苯废水,当厌氧微生物浓度为5000.00mg·l-1左右时,在2L的试验液中,当零价铁投加量由0.50g增加到5.00g时,硝基苯的转化率和苯胺的产生量急剧增加;零价铁的投加量为5.00g时与不加零价铁相比,硝基苯的转化率提高了2.43倍,苯胺的生成量提高了2.12倍;通过设计Fe0,Fe2 ,Fe3 及Fe3O4的对比实验,证明零价铁的作用主要表现为其腐蚀形成Fe2 的过程为硝基苯的厌氧生物转化提供了电子以及该过程中生成的Fe2 和Fe3 的生物营养作用.     

纳米零价铁的生态毒性效应研究进展

纳米零价铁(n ZVI)由于其比表面积大、表面反应活性高以及强还原性,可以作为一种高效的环境修复材料,广泛运用于污染地下水及土壤修复。大量的n ZVI颗粒直接注射到污染位点会增加生态系统的暴露可能性,并且由于n ZVI粒径特别小,能穿过细胞膜和生物体的各类天然屏障,对环境及生态系统存在潜在风险,因此科学家们开始更多地关注n ZVI的生物安全性研究。鉴于n ZVI在环境修复应用中的巨大潜力和可能的毒性效应,对n ZVI环境风险的研究也显得尤为重要。综述了近几年国内外关于n ZVI生态毒性的研究成果,n ZVI对病毒、细菌、微生物群落、以及动植物等都能导致一定的负面效应,尽管其毒性机制尚不明确,但普遍认为n ZVI暴露后铁离子的释放和氧化损伤确实可以引起生物效应,部分研究还分析了环境因素和表面改性对其毒性的影响。文章对其未来的发展方向进行了展望,以期为今后纳米零价铁的研究提供参考。     

中性条件下超声波/零价铁协同降解活性艳红X-3B

考察了中性条件下超声波降解、零价铁还原及超声波-零价铁联用对活性艳红X-3B模拟废水的降解效果,通过对比降解过程中UV-Vis光谱的变化,探讨了超声波-零价铁协同处理活性艳红X-3B的可行性.结果表明,在中性条件下超声波对活性艳红X-3B降解缓慢,经过25min辐射后,活性艳红X-3B的分解率不足7.5%;零价铁直接还原速率较慢,反应25min后,活性艳红X-3B的分解率仅为48.82%;"超声波/零价铁"对降解活性艳红X-3B有明显的协同效应,25min后分解率达99.42%(600W),反应符合准一级动力学过程.与零价铁直接还原相比,在200W,400W和600W超声波的协同作用下,X-3B降解的表观反应速率常数分别提高了2.12,2.76和4.00倍,半衰期相应缩短.另外,添加H2O2会抑制协同效应.     

黑炭/零价铁复合材料耦合金属还原菌对溶液中Cr(Ⅵ)的去除

针对黑炭/零价铁复合材料(BF)、金属还原菌(GY~(-1))单独使用修复Cr(Ⅵ)污染环境存在的问题,构建了黑炭零价铁与金属还原菌的耦合体系,考察了耦合体系中溶液pH值、Cr(Ⅵ)浓度、反应时间、温度对微生物生长和溶液中Cr(Ⅵ)去除的影响,并且研究了耦合体系中铁的动态变化。实验结果表明:黑炭/零价铁复合材料可作为金属还原菌的固定化载体,为金属还原菌提供繁殖场所的同时,提高其对Cr(Ⅵ)的抗性。耦合体系中Cr(Ⅵ)的去除效果明显优于单独使用零价铁/黑炭和单独铬还原菌的效果。在耦合体系中,3 mL细胞培养液(OD_(600)为1.2—1.6)和0.1 g黑炭负载零价铁材料,Cr(Ⅵ)初始质量浓度为100mg·L~(-1)条件下,反应24h后可将溶液中Cr(Ⅵ)完全去除。XPS结果显示,反应阶段Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)共同存在于耦合体系中,但大部分的Cr(VI)会被零价铁和铬还原菌还原为Cr(Ⅲ),此外,存在黑炭和菌体对Cr(Ⅵ)的吸附作用。耦合体系中Fe(Ⅱ)含量高于单独黑炭负载零价铁材料,说明微生物能还原零价铁钝化层的Fe(Ⅲ)为Fe(Ⅱ),使Fe(II)继续参与还原反应,产生循环效果,增强耦合体系对Cr(Ⅵ)的去除效果。同时,铁离子作为一种电子传递介质增强微生物对Cr(Ⅵ)还原过程中的电子传递,加速反应进行的同时,解决零价铁表面易钝化问题。