基于Fe~0的PRB去除地下水中硝酸盐的模拟研究

由于地下水中硝酸盐污染的普遍性、难去除性和对人体健康的潜在危害性而引起人们的广泛关注。本研究通过柱实验,研究了不同条件(进水pH、砂/Fe0体积比和添加锯末)对基于Fe0的模拟渗透性反应墙(permeable reactivebarrier,PRB)去除地下水中硝酸盐的影响。结果表明,由于黄土的碱性和缓冲作用,进水pH的影响不显著;5~6∶1的砂/Fe0(S/Fe)体积比既可提高铁粉利用率,又有利于硝酸盐的还原并延长PRB的有效期;铁腐蚀产物引起铁粉粘固而导致PRB的渗透性和反应性降低,尤其在反应区的进水口端;虽然酸预处理Fe0有助于硝酸盐的还原,但更容易引起堵塞,而在Fe0体系中加入活性炭不仅可提高硝酸盐的去除率,还可延长PRB的有效期,是一种很好的辅助填料;同时添加锯末和Fe0的生物-化学联合法更有助于硝酸盐还原并提高出水水质,具有很好的应用潜力;不同条件下,出水中的氨和亚硝酸盐的浓度相差较大,但可溶性铁浓度均低于饮用水标准(0.3 mg/L)。Fe0的化学还原和锯末的生物反硝化是硝酸盐去除的主要机理。本研究表明,基于Fe0的PRB用于去除中性或偏碱性地下水中的硝酸盐污染具有很大的潜力。     

上流式Fe0-沸石固定床去除水中的硝酸盐氮

针对目前废水经生化处理后,残余NO-3浓度较高导致总氮不达标的问题,采用上流式Fe0-沸石固定床对其进行处理,探究了纯铁粉+沸石、铁粉/石英砂+沸石和铁粉/活性炭+沸石3种填料对硝酸盐氮废水的处理效果。实验结果表明,当进水NO-3浓度为50 mg·L-1,pH=6,V(Fe0)/V(活性炭)=0.5时,NO-3去除率可达75.99%,反应符合准一级反应动力学模型,反应速率常数可达0.084 min-1,且反应产物中氨氮的比例较低。活性炭或石英砂的加入可以减缓反应柱内铁粉的板结。反应柱内的沸石对氨氮具有良好的吸附效果,且对出水的pH具有一定的调节作用。     

零价铁(Fe~0)共存下TiO_2光催化降解特性的研究

针对TiO2光催化反应中易出现电子-空穴对(e--h+)的复合、而Fenton技术又面临铁污泥的问题,向TiO2光催化反应中加入零价铁(Fe0)。通过调节溶液pH,使Fe0缓释Fe2+,且反应之后的pH仍能满足TiO2光催化反应所需。溶液中的Fe2+,一方面能减弱TiO2光催化产生的e--h+的复合,提高TiO2光催化反应的效率;另一方面,在紫外灯照射下也可以起到光Fenton降解作用。研究结果表明,Fe0共存下TiO2光催化对废水的降解率高于单独使用TiO2光催化或光Fenton对废水的降解率。对Fe0共存下TiO2光催化降解废水的褪色率的动力学研究表明,该反应属于三级动力学反应,且其对有机物的降解具有TiO2光催化和光Fenton加合增效的效果。     

超声强化Fe0去除阳离子红GTL的研究

采用US/Fe0系统去除阳离子红GTL,考察了pH值、Fe0用量、超声功率及活性炭、H2O2、盐分添加对阳离子红GTL去除率的影响,利用紫外-可见吸收光谱变化查明阳离子红GTL在不同条件下的去除差异性,利用SEM解析铁的形态与染料去除的相关性。结果表明： pH≥5.0时超声和Fe0具有协同效应,Fe0用量2 g/L,pH=7.0,超声功率135 W,阳离子红GTL去除率达到96.07%;一定量的活性炭、H2O2、盐分添加会加速染料去除,US加速Fe0反应速度,但不改变染料降解机理,添加活性炭能够彻底降解阳离子红GTL,添加H2O2提供的氧化环境抑制苯胺类化合物生成;铁的形态及与染料的接触是影响染料去除效果的重要原因。     

不同电子供体和受体对零价铁与微生物协同还原六价铬的影响

采用间歇实验考察了有机质及氧、硝酸盐和硫酸盐对零价铁（Fe0）与微生物协同还原Cr（Ⅵ）过程的影响。实验结果表明,对于Cr（Ⅵ）的去除协同体系明显优于Fe0和微生物单独作用;外加有机质如乙酸钠、乙醇、葡萄糖和腐殖酸可显著地提高协同体系去除Cr（Ⅵ）的效果,反应3 d后Cr（Ⅵ）去除率分别提高了33%、19%、16%和11%;空气对协同体系还原Cr（Ⅵ）过程影响不明显,但硝酸盐明显地抑制Cr（Ⅵ）的还原,且抑制作用随硝酸盐浓度升高而增强;硫酸盐诱导微生物在Fe0表面生成具有强吸附能力和强还原能力的硫铁矿物,促进Cr（Ⅵ）的去除。当硫酸根浓度为960 mg·L-1时,反应2 d后Cr（Ⅵ）去除率提高了39%。在零价铁与微生物协同修复Cr（Ⅵ）污染水体中应充分考虑电子供体和受体的影响。     

硝酸根对零价铁去除地下水中六价铬的影响

通过批实验和连续通流的柱模拟实验对比研究了存在NO3-和不存在NO3-条件下零价铁（Fe0）去除Cr（Ⅵ）的反应特征,并对比分析了NO3-对零价铁（Fe0）去除Cr（Ⅵ）的影响。批实验结果表明,在不同初始pH条件下,NO3-的加入均使得零价铁（Fe0）去除Cr（Ⅵ）的速率升高;当初始pH=7时,NO3-的促进作用最强,反应速率是无NO3-条件下的2.1倍。柱实验结果表明,NO3-的加入使得Fe0去除Cr（Ⅵ）的反应分成了3个不同的阶段：高效期（1025 PV）。在高效期,反应中的NO3-表现为对Fe0反应位点的竞争,抑制了Cr（Ⅵ）还原。在后期的2个阶段中,反应中NO3-则呈现明显的促进作用。NO3-的存在使得零价铁（Fe0）柱趋于整体性同步钝化,延长了Fe0柱的运行寿命,并且增加了零价铁（Fe0）柱对Cr（Ⅵ）的去除效率。NO3-对Fe0去除Cr（Ⅵ）反应的促进作用原因是由于NO3-与Fe0反应产生Fe3O4,Fe3O4可以还原Cr（Ⅵ）,并且具有阻滞反应的产物在Fe0表面堆积和促进电子传导作用。     

超声强化Fe0去除阳离子红GTL的研究

采用US/Fe⁰系统去除阳离子红GTL,考察了pH值、Fe⁰用量、超声功率及活性炭、H₂O₂、盐分添加对阳离子红GTL去除率的影响,利用紫外-可见吸收光谱变化查明阳离子红GTL在不同条件下的去除差异性,利用SEM解析铁的形态与染料去除的相关性。结果表明： pH≥5.0时超声和Fe⁰具有协同效应,Fe⁰用量2 g/L,pH=7.0,超声功率135 W,阳离子红GTL去除率达到96.07%;一定量的活性炭、H₂O₂、盐分添加会加速染料去除,US加速Fe⁰反应速度,但不改变染料降解机理,添加活性炭能够彻底降解阳离子红GTL,添加H₂O₂提供的氧化环境抑制苯胺类化合物生成;铁的形态及与染料的接触是影响染料去除效果的重要原因。     

有机配体对纳米零价铁还原硝基苯的影响与机理

通过FeSO4·7H2O与NaBH4反应,采用液相还原法制备纳米级零价铁(NZVI),并用XRD,SEM对其性能进行表征。研究了纳米零价铁还原硝基苯(NB)的动力学规律及柠檬酸、草酸、柠檬酸钠、草酸钠、乙二胺四乙酸二钠(EDTA二钠盐)几种有机小分子对其还原效率的影响,并对其机理进行了初步探讨。结果表明,纳米零价铁去除硝基苯反应符合准一级动力学方程,并且当硝基苯浓度一定时,增加NZVI投加量,去除率会显著增大;当NZVI浓度一定时,硝基苯浓度越低,去除率越高;柠檬酸和EDTA二钠盐在较低浓度时抑制还原反应进行,而在3 mmol/L左右时,具有促进还原反应进行的作用,而草酸、柠檬酸钠和草酸钠则为抑制作用。     

钙镁离子及重碳酸盐对零价铁还原对氯硝基苯的影响

通过间歇式实验,考察了地下水中常见硬度离子Ca2＋、Mg2＋及HCO3-的独立作用和联合作用对零价铁还原对氯硝基苯的影响。实验结果表明,Ca2＋、Mg2＋对零价铁还原对氯硝基苯反应的促进作用不明显。HCO3-浓度为0～100mg/L时可显著提高零价铁还原对氯硝基苯的速率,反应2 h后对氯硝基苯转化率由44.1%升至84...     

磁性还原氧化石墨烯负载Fe0对罗丹明B的类芬顿降解

合成了磁性还原氧化石墨烯负载零价纳米铁材料（Fe0-MF-RGO）,并在双氧水（H2O2）的作用下构成类芬顿试剂用于对罗丹明B（RhB）的吸附-催化降解。通过正交实验研究了pH值、Fe0-MF-RGO用量、RhB初始浓度、温度和H2O2浓度5个影响因素。在15 ℃、pH值为7.0、Fe0-MF-RGO投加量1.0 g·L-1、RhB初始浓度为50 mg·L-1以及H2O2浓度为0.8 mmol·L-1的条件下,150 min后模拟废水中RhB的去除率达到98.17%,经5次循环使用后去除率为72.97%。     

纳米铁-微生物耦合体系去除硝酸盐的影响因素研究

采用液相还原法制备出纳米铁粒子,并与自养反硝化细菌耦合,以解决单独使用生物反硝化和纳米铁还原法的不足。本实验在纳米铁-微生物耦合体系可以有效还原硝酸盐的基础上,研究了pH、温度和DO等环境因素对该耦合体系脱氮速率和产物的影响,以期通过优化参数达到最好的脱氮效果。结果表明,该体系在中性条件下能够快速将硝酸盐还原,随pH升高,氨氮比例无显著变化,均在40%左右,但还原速率有所下降;随温度的升高,氨氮比例有所上升,而反应速率明显升高,但该体系在5℃时仍能将硝酸盐完全去除;耦合体系中的DO过高或过低都会导致产物中氨氮比例的增加,0.4 mg/L左右为较适宜DO水平,但对硝酸盐还原速率的影响不大,当DO为0.8 mg/L时,硝酸盐仍可以在8 d内完全去除。因此,该耦合脱氮体系对pH、温度和DO的适应能力较强,有利于实际地下水的原位修复。     

纳米铁去除水中硝酸盐的动力学研究

实验中采用了液相还原法制备新型吸附剂纳米铁。在纳米铁低投放量的条件下,采用间歇实验,分别从初始硝酸盐浓度、溶液pH值和温度的不同外界条件下研究了纳米铁对硝酸盐的去除情况。实验结果表明,硝酸盐初始浓度对反应速率有影响,但对去除率影响不大;溶液pH值为2.0时纳米铁对硝酸盐的去除效果最好;随着温度的升高,纳米铁对硝酸盐的去除率有所增加。以t时刻已反应掉的硝酸盐浓度为切入点,提出拟二级动力学方程。进而确定不同温度下的反应速率常数k。实验中k在50℃时最大,为0.014 mg/（L·min）。反应活化能Ea为17.18 kJ/mol,该反应以质量传递为控制因素。溶液中性条件下硝酸盐氮的还原产物为氨氮。     

纳米零价铁处理冶炼废水

多年的理论和机制研究发现,纳米零价铁（NZVI）作为还原剂及吸附剂,可处理水溶液中的多种重金属及类金属物质;而高效处理含高浓度重金属且成分复杂的冶炼废水是一项技术难题。本研究针对特定的冶炼废水（高浓度重金属及砷、高浓度氨氮、低pH、高含盐量）,研究了pH及NZVI投加量对砷、铜、锌、铅、镍的处理效果,并考察了连续流反应器中水力停留时间（HRT）及NZVI投加量对处理效果的影响。实验通过电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）进行水样测试,扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）进行固相表征。实验表明,通过NZVI处理,砷、铜、锌、铅、镍去除率均达99%以上,出水浓度均小于0.1 mg/L,达到废水排放标准（GB 8978-1996）。通过连续流反应器的应用发现,适当增大HRT、增加NZVI投加量,有利于更长时间保证出水水质的良好,延长NZVI消耗时间,提高废水处理量。结果显示,NZVI对复杂冶炼废水有极好的处理效果,在废水处理领域有着独特的优势,为后续研究及实际应用提供借鉴。     

Microbial reduction of nitrate in the presence of nanoscale zero-valent iron

Microbial reduction of nitrate in the presence of nanoscale zero-valent iron (NZVI) was evaluated to assess the feasibility of employing NZVI in the biological nitrate treatment. Nitrate was completely reduced within 3 d in a nanoscale Fe(0)-cell reactor, while only 50% of the nitrate was abiotically reduced over 7 d at 25 °C. The removal rate of nitrate in the integrated NZVI-cell system was unaffected by the presence of high amounts of sulfate. Efficient removal of nitrate by Fe(II)-supported anaerobic culture in 14 d indicated that Fe(II), which is produced during anaerobic iron corrosion in the Fe(0)-cell system, might act as an electron donor for nitrate. Unlike abiotic reduction, microbial reduction of nitrate was not significantly affected by low temperature conditions. This study demonstrated the potential applicability of employing NZVI iron as a source of electrons for biological nitrate reduction. Use of NZVI for microbial nitrate reduction can obviate the disadvantages associated with traditional biological denitrification, that relies on the use of organic substrates or explosive hydrogen gas, and maintain the advantages offered by nano-particle technology such as higher surface reactivity and functionality in suspensions.