《稻壳纳米零价铁复合材料的制备及吸附性能研究11000字（论文）》

稻壳纳米零价铁复合材料的制备及吸附性能研究摘要目前我国土壤受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积逐渐增大，而且污染趋势仍在加重。污染物在土壤中的残留积累，会不致造成作物的生育障碍、导致人类生活健康问题。由于人们环保意识的缺乏，污染废水的直接排放使得废水重金属不断进入到水体和土壤中，同时基于重金属的迁移性、富集性、不可降解性、毒性和致癌性，大大增加了环境的生态风险。为了防止土壤污染，维护人体健康，处理土壤中过量的重金属离子浓度意义重大。在本文中介绍负载纳米零价铁（nZVI）的制备方法及其改性以及对土壤中重金属离子的吸附性能的研究。纳米零价铁（nanozerovalentiron，nZVI）是指粒径为1～100nm的纳米铁粉颗粒，具有较高的比表面积，同时具有表面效应和小尺寸效应，零价铁电极电位E0（Fe2+/Fe0）=-0.44V，因此具有优越的吸附性能和很高的还原活性。且纳米零价铁（nZVI）来源丰富、价格低廉，被广泛应用于还原处理重金属。本文采用液相还原法制备纳米零价铁（nZVI），液相还原法是指在溶液状态下，利用硼氢化钠或硼氢化钾等强还原剂将Fe2+或Fe3+还原至nZVI。实验结果表明关键词：纳米零价铁；铅；改性；硼氢化钠；吸附；土壤目录第1章绪论 11.1引言 11.2土壤中重金属污染 11.3土壤中铅污染及其处理技术 11.3.1铅污染来源及其危害性 21.3.2含铅土壤的处理技术 21.4纳米零价铁的概述 11.4.1nZVI的制备方法 21.4.2nZVI在土壤中的应用 21.5纳米零价铁的改性研究 11.5.1表面改性 21.5.2金属改性 21.5.3多孔材料负载改性 21.6本论文的选题意义及研究内容 1第2章实验材料和过程 72.1实验药品 72.2实验仪器 72.3nZVI的制备 72.4材料的表征方法 72.4.1透射电子显微镜 22.4.2X射线衍射分析 22.4.3电感耦合等离子体发射光谱分析 22.5实验过程 7第3章实验结果与讨论 93.1引言 93.2C-nZVI复合材料的表征 113.2.1FTIR表征与分析 23.2.2XRD表征与分析 23.3实验结果分析 123.2.1生物炭加入量对吸附能力的影响分析 23.2.2吸附时间对吸附能力的影响分析 23.4实验结论 13第4章总结与展望 17参考文献 7附录 9第一章绪论1.1引言土壤由岩石风化而成的矿物质、动植物，微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物(固相物质)以及水分(液相物质)、空气(气相物质)，氧化的腐殖质等组成。固体物质包括土壤矿物质、有机质和微生物通过光照抑菌灭菌后得到的养料等。液体物质主要指土壤水分。气体是存在于土壤孔隙中的空气。土壤中这三类物质构成了一个矛盾的统一体。它们互相联系，互相制约，为作物提供必需的生活条件，是土壤肥力的物质基础。土壤作为自然界组成部分，与其他环境因素的交互过程中所发挥的功能。包括水分循环功能，即土壤在水循环中，对水分渗透与保持的数量与质量。养分循环功能，即在养分循环中，对植物营养的供给能力；碳存储功能，即在碳循环中，土壤对有机碳和无机碳的存储功能，尤其是对有机碳的存储功能；缓冲过滤功能，即土壤对重金属的缓冲过滤功能；分解转化功能，即土壤对有机污染物的分解转化功能。1.2土壤中重金属污染污染土壤的重金属主要包括汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和类金属砷(As)等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)等元素。主要来自农药、废水、污泥和大气沉降等，如汞主要来自含汞废水，镉、铅污染主要来自冶炼排放和汽车废气沉降，砷则被大量用作杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂和除草剂。过量重金属可引起植物生理功能紊乱、营养失调，镉、汞等元素在作物籽实中富集系数较高，即使超过食品卫生标准，也不影响作物生长、发育和产量，此外汞、砷能减弱和抑制土壤中硝化、氨化细菌活动，影响氮素供应。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解，通过食物链进入人体后，潜在危害极大，应特别注意防止重金属对土壤污染。一些矿山在开采中尚未建立石排场和尾矿库，废石和尾矿随意堆放，致使尾矿中富含难解的重金属进入土壤，加之矿石加工后余下的金属废渣随雨水进入地下水系统，造成严重的土壤重金属污染。重金属污染不仅会影响植物根和叶的发育还会破坏人体神经系统、免疫系统、骨骼系统等。重金属不能被微生物降解，是环境长期、潜在的污染物;因土壤胶体和颗粒物的吸附作用，长期存在于土壤中，浓度多成垂直递减分布;与土壤中的配位体(氯离子、硫酸离子、氢氧离子、腐蚀质等)作用，生成络合物或螯合物，导致重金属在土壤中有更大的溶解度和迁移活性;土壤重金属可以通过食物链被生物富集，产生生物放大作用;重金属的形态不同，其活性与毒性不同，土壤pH、Eh、颗粒物以及有机质含量等条件深刻影响它在土壤中的迁移和转化。1.3土壤中铅污染及其处理技术1.3.1铅污染来源及其危害性自然情况下，土壤中的铅主要来源于母岩和残落的生物物质、火山喷发岩浆残留和土壤侵蚀等，一般情况下含量比较低，不会对人体及生态系统造成危害人为活动作用，而人为因素排放铅来源是造成土壤铅污染的重要原因。铅是对人体有害的重金属之一，人为排放的浓度会对动植物产生很强烈的毒害作用。由于铅酸电池的随意丢弃，农药和颜料添加剂的广泛使用，环境中的铅浓度比以往大幅增加。此外，铅在汽车、陶瓷、油漆和塑料等诸多工业中也有广泛应用，并因此间接导致了水体中铅含量的急剧增加。在金属矿床开发.城市化建设固体废弃物堆积，以及为提高农业生产，施用化肥农药污泥和污水灌溉过程中，都可以使铅在土壤中大量积累的铅污染，市区的铜矿工业厂硫酸厂油漆厂采矿和化学工业产生的大量废物，其中细微颗粒的铅通过风的作用，从工业废物堆扩散至周围地区。重金属具有长期性和非移动性等特性，土壤被重金属污染后，会对作物农产品和地下水产生次级污染，并通过食物链影响人类健康。铅及铅的化合物一般不能通过完整的皮肤进入人体内，但有机铅可被皮肤吸收铅对人体神经系统骨髓造血系统消化系统心血管系统生殖系统免疫系统及肾脏等造成危害，另外无机铅或有机铅均有致畸致癌和致突变性作用铅作为中枢神经系统毒物,对儿童的身体和智能危害更为严重,铅过量积累会导致染色体损伤肾脏疾病智力低下等绝大部分进入人体的铅以不溶性磷酸盐形态储存在骨骼中。正常人血液中铅的含量平均为0.15mg/kg，当血液中铅含量达0.6~0.8mg/kg时，就会出现铅中毒症状，发生动脉内膜炎血管痉挛动脉硬化神经机能障碍绞痛精神呆滞等。铅急性中毒表现为流涎出汗恶心呕吐阵发性腹部绞痛便秘或腹泻头痛血压增高，严重者抽搐昏迷瘫痪循环衰竭而沉积在内脏器官及骨髓中的铅化合物由体内排除的速度极慢，逐渐形成慢性中毒，最初感到疲倦食欲不振体质变差等，并逐渐出现头痛视力模糊意识不清肌肉痉挛和记忆力丧失。过量接触Pb2+会对人体造成不可修复的伤害，可导致不可逆转的脑损伤、心血管疾病和认知障碍，甚至死亡。铅是一种有毒重金属，很难被生物降解，并且可以通过食物链的富集，在生物体内累积，因此，降低土壤中铅离子的浓度对保护环境和维护人类身体健康具有重要的意义。纳米零价铁(nZVI)因其特殊优势常被应用在重金属污水修复领域，但是强磁性、强还原性和粒径较小也使得nZVI在实际应用中存在易团聚、易被氧化和不易回收等缺点。本文利用柠檬草作为nZVI的载体源，制备出负载的nZVI复合材料，成功克服了nZVI易团聚、不可在空气中储存和不易回收再利用的难题。1.3.2含铅土壤的处理技术土壤中重金属铅离子污染必须要进行治理，减少对土壤中的微生物和农作物的伤害，让土壤各离子浓度达到正常指标。因此需要一种高效、环保且经济的材料来针对铅离子对土壤中重金属的处理。目前，铅污染土壤修复技术分为物理、化学和生物修复3种方法。a.物理方法物理方法是利用重金属铅在土壤中的迁移速度比较慢的特点，将含有重金属铅的土壤转移出去的一种修复技术，主要包括换土法隔离法淋滤法玻璃化法电化学法和吸附固定法等。换土法换土法就是把受重金属污染的土壤替换成未被污染的土壤，它又可分为翻土法换土法和客土法3种。隔离法隔离法是向土壤中加入固化剂，使土壤中的铅被固定住，防止因为铅的迁移而对附近土壤造成污染。淋滤法淋滤法是使用淋洗剂清洗受污染的土壤，使土壤中的污染物随淋洗剂流出，从而达到修复污染土壤的目的它是修复污染土壤的一种新方法。玻璃化法玻璃化法是将受污染的土壤加热使之熔化,冷却后能形成稳定的玻璃态物质，受土壤中的污染物能有效地被固定。电化学法电化学法是在受污染的土壤中加入阴阳2个电极，利用铅离子的带电性，将土壤中的铅离子去除。吸附固定法吸附固定法是指向受污染的土壤中加入一种材料，将土壤中有效态的铅离子吸附并且能够固定，以免其对人体造成的伤害。物理方法能取得比较好的治理效果，但是由于上述方法劳动量比较大，浪费大量的人力物力和财力，而月对转移的含铅土壤的处理也是一个待解决的问题。b.化学方法化学方法是利用改良剂与铅之间的化学反应,从而对污染土壤中的铅进行固定、分离提取呵等,主要包括化学固定法、螯合剂调节法.土壤pH控制法、土壤氧化还原电位调节法和土壤重金属离子拮抗法等。化学固定法

化学固定法就是在受污染的土壤中加入化学试剂,发生化学反应.降低铅在土壤中的有效性和迁移性，达到治理的目的。螯合剂调节法螯合剂调节法是向受污染的土壤中加人整合剂,整合剂与土壤中的铅离子发生反应，增强了铅在土壤中的有效性。土壤pH控制法土壤pH控制法是通过调节土壤中的pH值来调节铅离子的有效性和迁移性。土壤氧化还原电位调节法土壤氧化还原电位调节法是基于土壤中存在的氧化物质和还原物质之间进行氧化还原反应时所产生的电位值，通过调节电位值来改变铅离子在土壤中的活性。土壤重金属离子拮抗法土壤重金属离子拮抗法是通过土壤中某些无机态的离子之间存在拮抗作用,通过向土壤中加入一种对作物危害较轻的,且对植物生长有益的元素,来抑制对铅离子的吸收。化学方法对铅污染土壤治理效果要好于物理方法，但向土壤中加入化学试剂对土壤环境扰动较大，花费很高,更重要的是极易造成土壤的二次污染。c.生物方法生物修复技术是在20世纪90年代迅速发展的一种治理土壤污染的新技术,是一种环境友好型治理技术,以其高效、安全、持久、价廉等特点得到学者和政府的认可。随着科学技术的不断发展,生物修复技术将会具有广阔的应用空间。生物修复主要包括微生物和植物修复。微生物修复法

微生物修复法是利用土壤中的某些微生物,或者土壤中生活的小动物对重金属铅具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用,从而降低土壤铅的毒性。植物修复法

植物修复法是利用植物及其根系圈微生物体系的吸收挥发、转化和降解的作用机制,来清除环境中污染物质的一项新兴的污染治理技术.它以费用低,不破坏场地结构、净化环境等优点成为修复铅污染土壤的热门技术。具体地说,利用植物本身特有的利用污染物转化污染物,通过氧化一一还原或水解作用。使污染物得以降解和脱毒的能力,利用植物根系圈特殊的生态条件,加速土壤微生物的生长,显著提高根系圈微环境中微生物的生物量和潜能,从而提高对土壤中有机污染物的分解作用的能力,以及利用某些植物特殊的积累与固定能力，去除土壤中某些无机和有机污染物的能力,称为植物修复。1.4纳米零价铁的概述铁作为自然界常见的金属元素,其优点主要体现在廉价易得、易操作、二次污染少、无毒无害等方面。“原位可渗透反应墙”是由Gillham等叫提出的纳米零价铁(nZVI)概念。纳米零价铁是指粒径在1~100nm之间的零价铁颗粒,具有诸多优点,如较大的比表面积和表面能使其具有优越的吸附和高还原性;nZVI具有典型的核壳结构，外层为几纳米厚的金属氧化物壳,包裹着金属铁芯。铁芯是具有还原特性的电子源，可以在反应过程中提供电子。氧化铁壳不仅可以防止内部铁芯被继续氧化，还可以通过静电相互作用和表面络合作用促进污染物的去除。这些性能归因于纳米铁粒子具有较小的粒径,产生独特的表面效应和小尺寸效应可以提高反应性;又由于其具有较好的机械性能,对原位修复地下水中的有机氯化污染物有着良好的效果。通常粒径在微米级的普通铁粉,其反应活性低、吸附性能弱并且反应速率慢,但当铁单质颗粒达到纳米级时,其很多参数都会发生很大变化,如表面原子数、表面能、表面张力都随粒径的减小而急剧增加,从而使其在热学、电学、磁学和表面稳定性等方面和常规粒子有所区别。1.4.1nZVI的制备方法nZVI的制备主要通过2种技术路径,可根据不同的技术原理进行分自上而下法和自下而上法两类。自上而下法指的是把较大的铁颗粒通过粉碎研磨、切割、刻蚀和腐蚀等手段使其尺寸减小从而获得纳米级颗粒的技术。主要有球磨法、深度塑性变形法、溅射法和蒸汽冷凝法等。自下而上法则是从原子和分子等更小的层面开始合成，大小从几十纳米到数百纳米,主要包括液相还原法、碳热法、热解羰基铁法和电化学沉积法等。由于自上而下法需要特殊的设备,所需能量很高,因此目前比较常用的制备nZVI的方法是是液相还原法和碳热还原法。在此简单的介绍以下几种方法。液相还原法：是指在溶液状态下,利用硼氢化钠或硼氢化钾等强还原剂将Fe2+或Fe+还原至nZVI。比普通铁屑反应速率快10~100倍。除了硼氢化物等还原剂外,还有水合肼、多元醇也用在nZVI的制备中。硼氢化钠制备nZVI主要化学反应方程式为:Fe2++2BH4-+6H20=Fe+2B(OH)3+7H2，4Fe3++3BH4-+9H2O=4Fe+3B(OH)3+9H++7H2。液相还原法制备工艺简单快捷、反应条件温和，制得的nZVI反应活性高,在nZVI的制备工艺中应用最为广泛。但液相还原法制备过程中产生大量的氢气,在洗涤过滤过程中会出现nZVI颗粒的氧化团聚等问题,合成的nZVI颗粒中可能会掺杂硼化物杂质;且硼氢化钠等还原试剂的价格较高,故只适用于实验室小规模的制备,不适合大规模生产。超声波在硼氢化钠合成nZVI粒子时,对降低粒子的尺寸和改变其形状方面有积极的效果。b.热解羰基铁法：热解羰基铁法又称为气相热分解法。是利用热解、激光和超声等激活手段,使羰基铁Fe(CO)5,分解制得纳米金属铁微粒。传统的热解方法所得到的铁粉末粒度通常都在亚纳米级,制取纳米级金属铁颗粒有一定难度,并且原材料具有剧毒和不稳定性。Butter研究表明,随着温度的提高,控制羰基铁分解的整个反应步骤由化学变化步骤变为扩散步骤,考虑到既要提高Fe(CO)5的热解率,又要防止温度太高CO在铁的催化下析炭,热解温度通常控制在275~350。C之间。c.球磨法:球磨法制备nZVI是一种物理方法，所涉及的技术属于自上而下技术。在该方法中，将铁微粒与钢球(直径250μm)一起放入高速旋转的研磨室进行研磨。钢球和铁微粒的质量比例从20:1到40:1不等，视不同的方法和所用设备而定。在研磨过程中，铁颗粒被钢球压碎，冲击能量将材料破碎成更小的颗粒。铁颗粒持续受到机械磨损，直到达到纳米尺寸，该方法最大的优点是不需要任何有毒试剂，操作简便，适合大规模应用。最明显的缺点是最终制得的nZVI颗粒尺寸形状不均匀，且容易聚集。d.电化学法:电化学法是一种简单、高效且廉价生产nZVI的方式，此方法原理是在电流的作用下，三价铁离子在溶液中向阴极移动，并在阴极获得电子成为铁原子并沉积。该方法制备的nZVI易聚集，影响了nZVI本身的活性。但是可以通过向溶液中加入阳离子表面活性剂来缓解此现象的出现。e.绿色合成法:绿色合成的方式主要有两个:一是使用绿色环保的化学材料来合成nZVI,二是使用能够消耗更少能源或是自然资源的方式，比如天然植物提取或是微生物材料。例如，用绿茶提取物合成的nZVI可以有效降低土壤中的Cr(VI)浓度。在绿色合成过程中，pH值、温度、反应时间和不同稳定剂的用量都可能会影响nZVI在实际应用中的性能。1.4.2nZVI在土壤中的应用近年来，NZVI技术已在土壤重金属和有机污染物的修复中均得到了广泛研究,具有良好的研究基础。重金属在土壤中的移动性差、滞留时间长，且难以被微生物降解，因此毒性高，对生态环境和人体健康影响较大。研究结果已表明，nZVI对Cr(VI)、Pb(II)、As(II)、Cu(II)、Zn(II)、Ni(II)、Ag(I)等多种金属具有良好的还原效果。nZVI修复土壤中重金属的机理主要为:nZVI通过改变重金属元素的形态，降低其在土壤中的迁移性，而后将其还原为低毒甚至无毒的价态叫。例如，对铅的修复是通过将Pb(II)还原为零价Pb0，使其毒性降低。1.5纳米零价铁的改性研究纳米零价铁在去除水体和污染物方面有着巨大的应用潜力，但因其自身的静电引力和磁性作用易形成团簇状链式结构，使得纳米零价铁在实际应用中存在着一定的局限性，主要包括易团聚、易氧化、易失活。对nZVI进行改性，主要目的是降低颗粒之间的团聚作用，提高nZVI在环境中的化学稳定性、分散性以及对污染物的去除效率。1.5.1表面改性nZVI的表面包覆是通过加入阴离子表面活性剂、天然或合成的高分子聚合物或电解质与nZVI颗粒结合，包覆在nZVI颗粒表面，从而改变nZVI颗粒的表面电荷，增大颗粒之间的静电斥力和空间位阻，使nZVI浆液体系稳定。1.5.2金属改性在nZVI中加入不活泼的金属，通过增加金属活性位点提高纳米零价铁的抗氧化能力，同时使其具有一定的反应活性，在表面形成微电池，使电子转移和反应速率加快，零价铁作为还原剂提供电子，加入的不活泼的金属作为催化剂，将生成的H2吸附在金属表面转变成原子态对污染物进行还原。1.5.3多孔材料负载改性负载型nZVI是以某种材料为载体，将nZVI均匀、稳定地分散负载于该材料表面。这里使用的负载材料有活性炭。载体的分散和负载作用，降低了负载型nZVI的团聚作用和氧化速率，提高了nZVI复合物的分散性、稳定性及反应活性等性能。1.6本论文的选题意义及研究内容铅是世界上应用最广泛的重金属之一，具有很高的毒性，对人体健康和生态系统均存在很大的威胁。因此，降低土壤中的Pb2+浓度是非常重要的。nZVI由于其较小的粒径、较高的反应活性和对环境友好等优点而在重金属的去除方面表现出了巨大的潜力。然而，nZVI的稳定性不足，很容易在水中迅速团聚，形成微型、毫米级甚至更大的团聚体。为了克服上述缺点，提高重金属的去除效率，本文采用了用柠檬草进行对nZVI的改性，在不同的时间段相同条件下的研究设计方案，探究了不同的用量吸附剂材料对溶液中铅离子的去除效果。实验材料和过程2.1实验药品实验过程中所用主要材料和药剂如表2-1所示。表2-1实验药品试剂名称化学式规格厂家纳米零价铁nZVI/大学自制硫酸亚铁FeSO4•7H2O99.0%天津市博迪化工有限公司去离子水H2O/大学自制无水乙醇C2H6O99.7%天津市凤船化学试剂科技有限公司聚乙二醇HO(CH2CH2O)nH/天津百伦斯生物技术有限公司硼氢化钠NaBH498.0%天津市凤船化学试剂科技有限公司硫酸铜CuSO499.0%天津市化学试剂三厂氯化镁MgCl298.0%天津市光复精细化工研究所硝酸HNO31:1大学自制硝酸HNO31%大学自制柠檬草//大学自制氢氧化钠NaOH96.0%天津煜翔科技有限公司2.2、实验仪器实验中主要使用的仪器如下表所示。表2-2实验仪器仪器名称型号厂家电感耦合等离子体发射光谱仪Avio2005ml无针注射器QBAA-002013上海安谱实验科技股份有限公司电子天平GB/T23111梅特勒-托利多仪器上海有限公司恒温磁力加热搅拌器85-2型江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司真空干燥箱DZF-6020型上海博讯实业有限公司医疗设备厂电热鼓风干燥箱101-3AB天津汇科仪器设备有限公司超声波清洗机SB-5200DTDN宁波新芝生物科技股份有限公司2.3、nZVI的制备1、生物炭的制备稻壳生物质在烘箱内100℃条件下烘24h,去除大部分水分和表面易挥发物质,减少在热解制备过程中的烟气产生,烘干后分别取30g于坩埚中,在马弗炉内氮气氛围下以10℃/min速率分别升温至700，保持2h,氮气流量为100mL/min。生物碳自然冷却后在研钵中研磨并过60目筛后保存备用。2、稻壳纳米零价铁复合材料的制备铁/碳复合材料(SMS-nZVI)的制备方法与纳米零价铁制备方法相似。100mL无水乙醇和水体积比为1：1的溶液于三口烧瓶中,加入2.8g硫酸亚铁溶液和2mL聚乙二醇(PEG-400),搅拌混合,超声振荡30min,浸渍24h。通入15min氮气,确保去除溶液中的氧。4mL/min的速率将硼氢化钠溶液8mL全部滴入三口烧瓶中（NaBH4的加入量为铁物质的量的3倍以上），在氮气保护下，20～30℃下搅拌反应，得到黑色溶液。抽滤,用去离子水和无水乙醇清洗3次,至铁完全还原为零价铁，然后，抽滤回收黑色固体，并用乙醇洗涤后，放置真空干燥箱中，在60～70℃下干燥400～600min，制备得到纳米零价铁复合材料,不同之处在于,然后,用硼氢化钠将Fe2+还原为Fe0,并吸附于生物炭的表面及孔隙中,得到m(nZVI)∶m(SMS)=1∶5的复合材料。2.4材料表征方法2.4.1透射电子显微镜透射电子显微镜(Transmission

Electron

Microscope,TEM)可以用来获悉更清晰、更高倍率的材料微观形貌。其基本原理是通过撷取穿透物质的透射电子或弹性电子成像或做成衍射图样来做微细组织和晶体结构研究，分析时，通常是利用电子成像的衍射对比，做成明视野或暗视野影像，并配合衍射图案来进行观察。2.4.2X射线衍射分析X射线衍射(X-Raydiffraction,XRD)可以用来获悉固相材料的晶型结构和化合物成分，是对所测材料进行定性分析的--种常用试验表征方法。其基本原理是利用不同的晶体对X射线表现的不同的衍射特征而对材料进行分析。2.4.3电感耦合等离子体发射光谱分析电感耦合等离子体发射光谱-质谱分析仪(InductivelyCoupledPlasmaMassSpectromety,ICP-MS)用来获悉溶液在经过吸附剂处理前后铅元素的含量。制样过程，先配置一定浓度的铅离子溶液，经过吸附实验后按照一定的时间顺序取一定量的吸附溶液，经过滤纸过滤后储存在10mL离心管中送样测试。2.5实验过程称取0.3gPh为8纳米零件铁，加入0.3g硫酸亚铁、50ml无离子水和50ml无水乙醇。再称取0.4gPh为的4纳米零件铁，加入0.4g硫酸亚铁、50ml无离子水和50ml无水乙醇。将两瓶进行超声三十分钟。然后各个加入聚乙二醇2ml进行通氮气半个小时，通气一半时各自加入0.5g硼氢化钠(溶液)。用真空泵进行过滤，倒掉滤液，干燥滤渣。接下来准备六个1000ml烧杯，各自加入100g土壤，再加入1000ml普通水进行玻璃棒搅拌，准确称量4.16g硫酸铜加入130ml去离子水，将配制好的硫酸铜溶液分别加20ml到六个1000ml烧杯中，等待沉淀一段时间。每个实验样品按照12h、24h、48h、72h、96h的时间顺序各取六个锥形瓶取100ml上清液，过滤浮渣。将过滤完后每个锥形瓶加入1ml氯化镁等待反应10min，加入氢氧化钠调节PH值＞11.5。等待沉淀一段时间后，倒掉上清液，留下白色沉淀物，再加入1:1的硝酸溶解沉淀物，用比色管加入1%浓度的硝酸定容到50ml，取六个样。样品颗粒的形状和大小通过透射电子显微镜(TEM)表征;样品成分、形态利用X射线衍射仪(XRD)进行分析。实验结果与讨论3.1引言本研究中所使用的生物炭为稻壳生物炭，以稻壳为原料制备而得。用生物炭负载nZVI可以结合两者共同的优点，同时可以避免nZVI易团聚和不稳定的现象，促进重金属离子的吸附，还可以使铁原子与生物炭基体结合更紧密。用生物炭负载nZVI还可以减少纳米零价铁表面的钝化倾向。结合二者的优点，可以提高污染物的吸附量，并有效地防止nZVI的不稳定性。具体工作如下:(1)铁/碳复合材料(SMS-nZVI)的合成与表征;(2)评价去除Pb2+的各种因素，包括吸附剂添加量、吸附时间;(3)用等温吸附模型和动力学模型探究Pb2+的去除行为，进一步了解SMS-nZVI复合材料对Pb2+吸附机理。3.2C-nZVI复合材料的表征3.2.1FTIR表征与分析纳米零价铁复合材料（C-nZVI）样品的红外光谱图,由图可知，C-nZVI在791cm-l处存在Fe-O键振动峰,C-nZVI在1041cm-l处出现比较明显的Fe-O-C的振动峰，1641cm左右由表面吸附水0-H的弯曲振动的吸收峰,说明在纳米零价铁的表面形成了Fe00H层，R.Singh等人也得到了相类似的结论，3421cm-1左右有O-H的伸缩振动的吸收峰。以上数据表明其存在于纳米零价铁的表面，故能在红外光谱图中显示出强烈的特征峰。如图3.1所示。图3-1纳米零价铁复合材料（C-nZVI）样品的红外光谱图3.2.2XRD表征与分析纳米零价铁复合材料表征样品X射线衍射图谱（XRD）数据,从图中可以看出：纳米零价铁复合材料在2Theta角为45。和64.2。处出现明显的衍射峰，经过与标准卡片对比确定为Fe0的衍射峰。表明颗粒为单质铁，而没有出现氧化铁物质，纯度高。如图3.2所示。图3-2纳米零价铁复合材料表征样品X射线衍射图谱（XRD）3.3实验结果分析3.3.1生物炭加入量对吸附能力的影响分析准备六个1000ml烧杯，各自加入100g土壤，再加入1000ml普通水进行玻璃棒搅拌，准确称量4.16g硫酸铜加入130ml去离子水，将配制好的硫酸铜溶液分别加20ml到六个1000ml烧杯中，等待沉淀一段时间。取其上清液在六个烧杯中，在实验中分别称取2g、2.5g、3g、3.5g、4g不同的生物炭量，在同一段时间的条件下加入到配制好的土壤上清液当中。用电感耦合等离子体-质谱分析仪检测吸附前后溶液中的铅离子浓度，并用以下公式计算不同生物炭下吸附剂对铅离子的去除率和吸附量。(1-1)(1-2)其中，表示铅离子的去除率(%)；Qt表示某一时间段内铅离子的吸附量(mg/g-1);Co代表溶液中的初始铅离子浓度(mg/L-1)；Ce代表吸附完成后溶液中的剩余铅离子浓度;Ct表示在吸附过程中在一定的时间单位时溶液中所剩余的铅离子浓度;V代表溶液体积(L)；M代表吸附剂质量(g)。取土壤上清液沉淀12h在不同生物炭量下的吸附效果。表3-112h下实验数据空白2g2.5g3g3.5g4g12h37.7628.58615.18715.79413.14612.336吸附量/9.17422.57321.96624.61425.424去除率/24.30%59.78%58.17%65.19%67.33%图3-312h下不同生物炭量吸附量取土壤上清液沉淀24h在不同生物炭量下的吸附效果。表3-224h下实验数据空白2g2.5g3g3.5g4g24h36.7627.93314.90614.67813.34111.994吸附量/8.82721.85422.08223.41924.766去除率/24.01%59.45%60.07%63.70%67.37%图3-424h下不同生物炭量吸附量取土壤上清液沉淀48h在不同生物炭量下的吸附效果。表3-348h下实验数据空白2g2.5g3g3.5g4g48h36.9124.27614.81314.19412.9678.272吸附量/12.63422.09722.71623.94328.638去除率/34.23%59.87%61.54%64.87%77.59%图3-548h下不同生物炭量吸附量取土壤上清液沉淀72h在不同生物炭量下的吸附效果。表3-372h下实验数据空白2g2.5g3g3.5g4g72h35.5924.13612.07214.12212.0108.707吸附量/11.45423.51821.46823.5826.883去除率/32.18%66.08%60.32%66.25%75.54%图3-672h下不同生物炭量吸附量取土壤上清液沉淀96h在不同生物炭量下的吸附效果。表3-496h下实验数据空白2g2.5g3g3.5g4g96h36.0420.12011.2919.19711.5156.988吸附量/15.9224.74926.84324.52529.052去除率/44.17%68.67%74.48%68.05%80.61%图3-796h下不同生物炭量吸附量结合图表分析，讨论了吸附剂用量对Pb2+去除性能的影响。从图中可以看出，随着吸附剂用量的增加，Pb2+的最终吸附量会逐渐增加，由于溶液中的Pb2+初始浓度相同，其他条件相同的情况下，吸附剂的用量成为唯一决定的因素，因此继续增加吸附剂添加量对Pb2+饱和吸附量的影响较大。在图中继续探究了在不同时间段的条件下，上述结论依旧不变。3.3.2吸附时间对吸附能力的影响分析取六瓶沉淀不同时间12h、24h、48h、72h、96h土壤中的上清液，在同等生物炭量下的吸附效果对比，探究吸附时间的不同对土壤中Pb2+浓度的影响。取土壤上清液在2g生物炭量下不同吸附时间的吸附效果。表3-52g下实验数据12h24h48h72h96h空白37.7636.7636.9135.5936.042g28.58627.93324.27624.13620.120吸附量9.1748.82712.63411.45415.92去除率24.30%24.01%34.23%32.18%44.17%图3-82g下不同吸附时间吸附量取土壤上清液在2.5g生物炭量下不同吸附时间的吸附效果。表3-62.5g下实验数据12h24h48h72h96h空白37.7636.7636.9135.5936.042.5g15.18714.90614.81312.07211.291吸附量22.57321.85422.09723.51824.749去除率59.78%59.45%59.87%66.08%68.67%图3-92.5g下不同吸附时间吸附量取土壤上清液在3g生物炭量下不同吸附时间的吸附效果。表