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CMC稳定化纳米Pd/Fe还原去除对硝基氯苯研究

作　者: 董婷婷
导　师: 罗汉金
学　校: 华南理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 羧甲基纤维素纳米Pd/Fe双金属对硝基氯苯催化还原
分类号: O643.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

对硝基氯苯（p-NCB）作为有机合成中间体被广泛用于染料、农药和医药中,容易在水体中积累,造成严重污染。利用纳米零价铁（NZVI）还原去除p-NCB近年来日益受到关注。但NZVI易于团聚成大颗粒,降低反应活性。在制备过程中添加羧甲基纤维素钠（CMC）作为稳定剂,能有效提高纳米Fe⁰颗粒的分散性能。同时,将微量Pd负载于Fe⁰的表面形成纳米双金属,可以促进p-NCB的脱氯反应,降低毒性,提高可生化性。本研究通过XPS、TEM和SEM等手段对CMC稳定化纳米Pd/Fe双金属颗粒进行表征,利用其对p-NCB进行还原去除,并进行了准一级反应动力学拟合和反应机理分析。此外,还考察了反应中各因素对p-NCB还原去除效率的影响。实验结果表明,纳米Pd/Fe还原去除p-NCB的反应发生在颗粒表面,颗粒直径越小,比表面积越大,反应活性越高,越有利于反应的进行。加入CMC后,在静电斥力和位阻效应的作用下,颗粒分散性显著提高。除减弱物理相互作用外,CMC能够包覆在纳米颗粒表面,阻止金属表面高活性位点与周围的介质（溶解氧和水）反应,从而保持反应活性。相同条件下CMC稳定化纳米Pd/Fe对p-NCB的去除率为普通纳米Fe⁰的4.3倍。Pd在Fe-H₂O体系中作为催化剂,可以吸收更多金属Fe⁰腐蚀过程产生的H₂并将其分解为H,而H可以将p-NCB快速还原为对氯苯胺（p-CAN）,继而分解为苯胺（AN）和氯离子（Cl^-）,实现p-NCB的氨化和脱氯。相同条件下CMC稳定化纳米Pd/Fe的脱氯效率为普通纳米Fe⁰的7.5倍。CMC-Pd/Fe体系还原去除p-NCB的影响因素有:Pd负载量、纳米Pd/Fe双金属的投加量、反应初始pH值、反应温度以及HA强度。实验结果表明,p-NCB的氨化及脱氯效率随着Pd负载量、纳米Pd/Fe双金属颗粒的投加量和反应温度的升高而升高,随着反应初始pH值和腐植酸（HA）强度的升高而降低。CMC-Pd/Fe体系还原去除p-NCB的反应符合准一级反应动力学。反应速率常数随着Pd负载量、纳米Pd/Fe双金属颗粒的投加量和反应温度的升高而升高,随着反应初始pH值和HA强度的升高而降低。p-NCB的还原去除机理为:p-NCB与纳米颗粒接触后被迅速吸附在颗粒的表面。Fe⁰首先在阴极发生电化学腐蚀产生Fe²⁺和H原子,p-NCB在Fe⁰、Fe²⁺和H原子的共同作用下发生氧化还原反应。Fe⁰表面的催化剂Pd会吸收更多的H₂,加速还原反应的进行。随着反应的进行,铁表面由于氧化作用形成铁的氧化物、氢氧化物和碳酸盐类物质,这些沉淀物覆盖在铁表面形成钝化层,阻碍并终止反应的进行。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-27
  1.1 研究工作的背景和意义  11-13
    1.1.1 地下水污染概况  11-12
    1.1.2 水体中有机物的来源及危害  12-13
  1.2 对硝基氯苯的治理技术  13-18
    1.2.1 物理法  13-14
    1.2.2 化学法  14-17
    1.2.3 生物法  17-18
  1.3 纳米零价铁还原修复技术的发展  18-20
  1.4 纳米零价铁还原修复技术的改进  20-26
    1.4.1 稳定剂CMC 的应用  20-25
    1.4.2 双金属Pd/Fe 体系  25-26
  1.5 研究目的和内容  26
  1.6 本章小结  26-27
第二章实验部分  27-32
  2.1 实验原理  27-28
  2.2 实验主要仪器及试剂  28-29
    2.2.1 主要实验仪器  28
    2.2.2 主要实验试剂  28-29
  2.3 CMC 稳定化纳米Pd/Fe 的制备  29-30
    2.3.1 制备方法  29
    2.3.2 制备装置  29-30
  2.4 纳米零价铁的表征  30
  2.5 对硝基氯苯的去除  30-31
  2.6 反应产物分析  31
  2.7 本章小结  31-32
第三章 CMC 稳定化纳米Pd/Fe 还原去除对硝基氯苯  32-43
  3.1 不同纳米铁体系对p-NCB 氨化和脱氯的比较  32-34
  3.2 Pd 负载量的影响  34-35
  3.3 纳米Pd/Fe 投加量的影响  35-37
  3.4 pH 值的影响  37-39
  3.5 温度的影响  39-40
  3.6 腐植酸(HA）的影响  40-42
  3.7 本章小结  42-43
第四章反应动力学模型  43-51
  4.1 不同纳米铁体系的表观速率常数  44-45
  4.2 Pd 负载量与表观速率常数的关系  45-46
  4.3 纳米Pd/Fe 投加量与表观速率常数的关系  46-47
  4.4 反应pH 值与表观速率常数的关系  47-48
  4.5 反应温度与表观速率常数的关系  48-49
  4.6 HA 浓度与表观速率常数的关系  49-50
  4.7 本章小结  50-51
第五章稳定化纳米Pd/Fe 去除对硝基氯苯的反应机理  51-61
  5.1 反应机理分析  51-53
  5.2 CMC 稳定化纳米Pd/Fe 颗粒的表征  53-58
    5.2.1 透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)分析  53-56
    5.2.2 X 射线光电子能谱(XPS)分析  56-58
  5.3 反应产物的分析  58-59
  5.4 本章小结  59-61
结论  61-63
  结论  61
  创新点  61-62
  建议  62-63
参考文献  63-70
攻读硕士学位期间取得的研究成果  70-71
致谢  71-72
附件  72

CMC稳定化纳米Pd/Fe还原去除对硝基氯苯研究

内容摘要

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