铝铁复合材料降解水中硝酸盐及消毒副产物的研究
近年来，零价金属如铝、铁、镁、锌等还原去除水中污染物的研究取得了重大进展，然而零价金属在使用后表面被氧化引起后续反应中污染物去除率下降的问题亟待解决。采用化学沉积法制备双金属可改善材料表面的钝化问题，但制备得到的双金属或多金属复合材料存在分布不均匀，表面金属容易脱落等缺点。本文通过采用熔融法将单质Al和单质Fe按照一定的质量比加入电炉中，制备得到铁质量分数分别为10％，20％，58％的铝铁合金复合材料，EDS结果表明，通过熔融法制得的合金中铝和铁分布均匀，为稳定去除水中污染物提供了条件;本研究使用Al-Fe复合材料去除水相中的污染物NO3--N和消毒副产物，并研究其去除机理。 首先采用不同试剂硼氢化钾溶液，稀盐酸，去离子水对复合材料进行活化预处理，研究预处理温度，预处理时的水浴时间等因素对合金预处理后去除NO3--N的效果的影响，通过扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)及能谱(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)，X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）等手段分析材料结构及组成变化，并与未经预处理的合金去除NO3--N的性能比较。为铝铁合金复合材料应用于水中NO3--N和消毒副产物去除的系统研究提供基础。 使用制备的Al-Fe复合材料作为滤料，在中性条件下对NO3--N和消毒副产物的去除效果优于单质Al和Fe。优选得到的去除水中NO3--N的材料Al-Fe20适宜条件为pH=2-12的范围。一小时内22.6mg-N·L-1NO3--N的降解率达到100％(pH=6.14/7.15)或80％以上(pH=7.88)。另外在pH=6-8范围内通过微量调节溶液初始pH实现控制产物中的氨氮比例，对水中总氮的去除率可达60％以上。铝铁合金复合材料中含有大量的金属间化合物如Al13Fe4等对产物的选择性起催化作用。NO3--N对Al-Fe复合材料的钝化及溶液中过高浓度的氨氮（如超过20mg-N·L-1）对NO3--N的去除抑制作用。Al-Fe复合材料可在中性条件下至少维持三十天的消毒副产物去除能力。XRD结果表明Al-Fe复合材料中有金属间化合物如Al13Fe4，FeAl2，Fe3Al等形成。Al和Fe的均一结合一方面使材料保持较低电位(低于-0.90V)，另一方面铁的存在对材料去除消毒副产物起到催化作用。材料中的富铝相如Al，Al13Fe4，FeAl2向材料中的富铁相如Fe，Fe3Al提供电子，使材料保持在较低电位（低于-0.90V）;富铁相破坏Al表面的钝化膜，提升对消毒副产物的去除能力。另外，使用Al-Fe复合材料在中性范围内去除水中污染物对水质如金属离子浓度、pH值等参数无不良影响。 采用Al-Fe复合材料作为阴极电化学去除水中的NO3--N和CCl4，发现-1.2V为适宜NO3--N和CCl4去除的最佳电压。Al-Fel0电极展现了优于Al-Fe20电极的去除效果。在本研究所采用的三种电解质中，CCl4与NO3--N在0.01mol·L-1Na2SO4的电解质溶液中去除效果最好，0.01mol·L-1KCl次之，最后是0.0577mol·L-1Na2SO4。NO3--N与CCl4同步电解时，CCl4的去除量不受NO3--N浓度的影响，而NO3--N的去除在CCl4浓度为200μg·L-1时不受CCl4抑制，在600μg·L-1与l200μg·L-1时受到抑制，表明合金材料去除水中的NO3--N和消毒副产物的过程为竞争过程，即材料对两种类型的污染物的去除机理类似。
水污染;铝铁合金复合材料;硝酸盐;消毒副产物;去除机理
北京化工大学
博士
环境工程
杨晓进
2016
中文
X52;X505
122
2017-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）