纳米零价铁在水污染控制中的研究ppt课件.ppt

姓名 王欣学号 SA14019019日期 2015 06 26 纳米零价铁在水污染控制中的研究进展 在20世纪80年代末 纳米铁颗粒作为一种有效的脱卤还原剂受到人们关注 纳米铁其最大的优势在于颗粒比表面积大 反应活性高 降解污染物的速率十分快速 特别是在污染物浓度较低的情况下 纳米铁对污染物的去除率大大高于普通铁粉 背景 纳米铁粉 比表面积 粒径为10nm的铁微粒的比表面积为33 5m2 g 铁粉的比表面积仅为0 9m2 g 两者相差达37倍之多 直径5mm 微孔展开表面积为400平方米 纳米铁的主要制备方法 蒸发凝聚法溅射法高能球磨法活性氢 熔融金属反应法液相还原法气相还原法 蒸发凝聚法 又称低压凝聚法 加热源 1 电阻加热 2 等离子喷射加热 3 高频感应加热 4 电子束加热 5 激光加热 6 电弧加热 7 微波加热 制备方法 在超真空 10 4Pa 蒸发室内引入低压 1 10 4Pa 的惰性气体 氦或氩 将金属铁加热 使之气化蒸发产生原子雾 原子雾再与惰性气体碰撞失去能量 骤冷后形成纳米级铁颗粒 优点 纯度高 粒径小 粒径分布窄 团聚性能差 粒度容易控制等特点 缺点 技术设备要求高温 操作不安全 蒸发凝聚法 制备方法 用两块金属板分别作为阳极和阴极 阴极为蒸发用的材料 在两电极间充入Ar气 40 250Pa 两电极间施加的电压范围为0 3 1 5KV 由于两电极间的辉光放电形成了Ar正电离子 在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面 使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子 蒸发原子被隋性气体冷却而凝结形成纳米粒子 溅射法 溅射法 优点 不需要坩埚 蒸发材料 靶 放在什么方位都可以 可以具有很大的蒸发面纳米铁粉的平均粒径小 产品纯度高 缺点 消耗能量大 成本高 制备方法 利用介质和物料之间的相互研磨和冲击使物料粒子粉碎 经几百小时的球磨 可使小于l m的粒子达到20 高能球磨法 高能球磨法 优点 产量高 工艺简单 成本低 容易实现产业化 非常适合脆性金属材料的制备 缺点 易引入杂质 颗粒分布不均匀 磨机结构复杂 有许多易磨损部件 制备方法 含有氢气的等离子体与金属间产生电弧 使金属熔融 电离的N2 Ar等气体 惰性气体 和H2溶入熔融金属 然后释放出来 在气体中形成了金属的超微粒子 用离心收集器 过滤式收集器使微粒与气体分离而获得纳米微粒 超微粒的生成量随等离子气体中的氢气浓度增加而上升 活性氢 熔融金属反应法 多级氢电弧等离子体反应装置 该设备是崔作林 张志焜自行设计研制出的 具有独立知识产权的我国首台可连续工作的氢电弧等离子体纳米材料制备设备 气相还原法 制备方法 主要是由H2或CO还原固态金属铁盐 用H2在N2气氛中还原FeCl2 nH2O制备 Fe纳米粉末 优点 铁晶粒径分布均匀 产物单一 结晶好 颗粒粒度小 可达3 10nm 纯度高缺点 设备要求较高 操作有难度 液相还原法 制备方法 液相还原法指溶液中的金属Fe盐在强还原剂 KBH4 NaBH4等 的作用下 还原为单质金属铁粒子 Fe2 Fe3 BH4 H2O Fe B OH 3 H2 优点 原理简单 组分容易控制 设备简单 可操作性强 生产成本低缺点 粒径分布不均匀 容易发生团聚 洗涤过程很容易发生氧化 纳米铁在水处理中的应用概况 去除有毒金属去除有机卤代物去除水中无机离子含氮污染物纳米铁脱色 去除有毒金属 机理 纳米铁颗粒 吸附 氧化 还原 有毒金属如铅 砷 汞 铬等 减轻去除 纳米铁颗粒 降低污染物毒性 5倍铁屑或铁粉 去除有机卤代物 纳米铁能有效降解一系列常见卤代烃有机污染物 包括氯代烃 氯化苯 农药 三卤甲烷 氯化乙烯及其他多氯碳氢化合物等 作用机理 1 铁直接将表面电子转移至有机氯化物使之脱氯 2 铁腐蚀产生的Fe2 还原作用使部分有机氯化物脱氯 3 铁反应产生的氢气可使卤代烃还原 水作为电子接受体 4 是吸附作用 去除水中无机离子 纳米铁去除硝酸盐的原理主要是氧化还原作用和吸附作用 而其降解动力学尚未有定论 有学者认为其反应动力学与Fe N比值有关 研究表明 实验室自制纳米铁粒子具有很高的活性 无需控制PH值即可与硝酸盐迅速完全反应 效果远优于普通零价铁 含氮污染物 NZVI对硝酸盐的去除主要是利用其大的比表面积和高活性 在无pH控制的地下水封闭厌氧体系中 使用NZVI还原硝酸盐的终产物以氨氮为主 占90 同时有部分氮气生产 由于氨氮的产生 反应结束后溶液pH值变大 在9 10之间 反应方程式如下 4Fe0 NO3 10H 4NH4 4Fe2 3H2OFe0 NO3 2H NO2 Fe2 3H2O5Fe0 2NO3 12H N2 5Fe2 6H2O2 82Fe0 0 75NO3 0 75Fe2 2 25H2O NH4 1 19Fe2O3 0 5OH NZVI对有机氮的去除反应机理可表示为 RNO2 3Fe0 6H RNH2 3Fe2 H2O 纳米铁脱色 目前偶氮染料的大量研究表明 当零价铁在适当条件下 与染料溶液接触时 染料分子中的偶氮键将发生断裂 破坏原染料的 发色基或助色基 从而达到脱色目的 目前偶氮染料的大量研究表明 当零价铁在适当条件下 与染料溶液接触时 染料分子中的偶氮键将发生断裂 破坏原染料的 发色基或助色基 从而达到脱色目的 目前偶氮染料的大量研究表明 当零价铁在适当条件下与染料溶液接触时 染料分子中的偶氮键将发生断裂 破坏原染料的发色基或助色基 从而失去发色能力 达到脱色目的 降解偶氮染料示意图 注 pH值在脱色过程中发挥重要作用 提高纳米零价铁稳定性 1 纳米双金属的应用对于应用双金属型纳米零价铁来去除水中的卤代有机化合物 这样的研究比较多 而对于研究的对象也是比较宽广的 双金属型纳米零价铁来降解有机卤代污染物的机理两种理论 1 铁本身作为活泼金属 在自然界中存在 很容易发生氧化反应 2 铁本身作为一种过渡金属 它拥有自身的空电子轨道 能够与溶液中的有机化合污染物形成一种复杂的过渡类化合物 通过研究对比发 这两个机理虽然表面上存在着差异 但是对于双金属型纳米零价铁去除有机卤代污染物主要反应过程都是脱卤加氢的这样一个实质性的过程 从表 可以看出 氯烷烃 溴烷烃 多氯联苯和氯烯烃等有机污染物都能够被双金属型纳米零价铁有效地去除 从表 可以看到 对于同一种污染物 在相同的条件下 修饰型纳米零价铁在处理效果上要明显优于零价铁的处理效果 2 负载型纳米零价铁由于纳米铁粒子小 易团聚而导致工程应用的困难 提高纳米铁的分散度而固定在载体上是一种有效的方法 目前研究报道的固定化纳米铁主要区别在于所采用的固定化试剂或载体不同 一般可分为无机矿物材料