硕士论文范文——树脂改性纳米铁修复铅污染地下水的研究.doc

1、分 类 号： 单位代码： 研究生学号： 密 级： 吉 林 大 学硕士学位论文树脂改性纳米铁修复铅污染地下水的研究Study on Removal of Pb in Polluted Groundwater byResin-modified Nanoscale Zero-valent Iron作者姓名：专 业：环境工程研究方向：地下水重金属污染修复指导教师： 培养单位：环境与资源学院年 月I摘 要地下水是水资源的重要组成部分，是解决我国工业、农业、生活用水的重要资源。近几十年，经济粗放式发展使得对自然资源开发利用强度日渐增大，地表水污染严重，地下水环境也遭受不同程度的污染。重金属是地下水中一种重

2、要的污染物。重金属高稳定、难以降解的特性使得地下水重金属污染具有危害不可预测的特点。铅作为典型的重金属污染物，是著名的“五毒”之一，具有致畸、致癌、致突变的“三致”特性，随着铅污染事件增多，铅污染地下水修复势在必行。零价铁简单易得、反应性强，可与多种污染物发生反应，零价铁处理环境污染物成为近年来十分活跃的研究领域。纳米级零价铁粒径小、比表面积大、表面能大，在保持零价铁化学性的基础上具有更高的反应活性、强还原性及吸附性，但是纳米铁易团聚、稳定性差，抗氧化性差的特点使其在应用中受到局限，因此纳米铁的改性成为了必然。本研究讨论树脂改性纳米铁应用于铅污染地下水修复的可行性，并且在静态批实验的基础上，构

3、建有机玻璃柱反应装置，研究动态条件下的修复效果，研究成果如下：（1）对实验所用树脂纳米铁进行 SEM 和 XRD 表征，确定其形态、主要成分及稳定性，结果表明粒子粒径约为 50-200nm，整体呈絮状排列，主要成分为 Fe(0)，具有很强的空气稳定性及抗氧化性，在空气中，暴露条件下可稳定存放 60 天以上；（2）研究树脂纳米铁对铅污染地下水的修复效果，确定反应基本条件，探究反应动力学及反应机理。结果表明，树脂纳米铁对铅污染物的去除符合准一级动力学方程，其机理为混凝吸附和表面还原共同作用。树脂纳米铁对铅的去除率受多种因素影响，随树脂纳米铁投加量增大、初始污染物浓度减小铅的去除率增加；水体中的 D

4、O 作为电子受体可以与 Fe(0)发生反应，与 Pb2+竞争电子，因此地下水无氧环境有利于反应的进行；初始 pH 不同，处理效果略有不同，pH 过大或过小均不利于反应进行，本实验中最适 pH 为 4；II（3）研究常见地下水离子 Cl-、SO 42-、HCO 3-、Ca 2+、Mg 2+对树脂纳米铁修复铅污染地下水的影响。地下水离子成分存在时，树脂纳米铁对铅污染物的处理仍符合准一级动力学方程，但是，速率常数大小与离子种类和浓度均有关系；SO 42-和 Cl-可以破坏纳米铁表面钝化层或形成绿锈，促进铅的去除 ；HCO 3-存在时与 Pb2+生成 PbCO3 沉淀，反应初期就使污染物浓度大量减少，

5、而且HCO3-的 pH 缓冲性也促进了反应的进行；Ca 2+和 Mg2+容易与地下水中的 OH-生成沉淀，抑制反应进行，且 Ca2+的抑制作用强于 Mg2+。（4）在前期批实验的基础上，利用石英砂为主要填充介质，构建有机玻璃柱反应装置，模拟水体流动状态下污染物的运移及修复过程，讨论树脂纳米铁用量、添加活性炭及不同地下水流速对铅污染地下水修复效果的影响。增加树脂纳米铁粉用量，可强化修复效果；添加活性炭促进污染物去除，但反应初期出水可溶性总铁浓度很高，可能引起地下水铁超标；地下水流速增大会降低污染物与树脂纳米铁的接触时间，因此降低污染物的去除率。关键词：地下水；铅；树脂纳米铁；修复IIIAbstr

6、actGroundwater is an important part of water resources, and is an important resource in dealing with the issue of water scarcity in industry, agriculture, domestic water in our country. Groundwater is characteristic of wide distribution, stable water quantity, and better water quality. In recent dec

7、ades, the growing economy made the human exploitation of natural resources increasingly, so that the groundwater suffered varying degrees of contamination. High stability, hard degradable properties of heavy metal make heavy metals in groundwater suffer unpredictable dangers. As a typical heavy meta

8、l pollutant, lead is one of the famous “top five“, which has teratogenic, carcinogenic, mutagenic features. With the increasing incidence of lead pollution, lead-contaminated groundwater remediation research is imperative.Over the last decade, a great deal of research has been focused on the removal

9、 of contaminants by zero-valent iron(ZVI), because ZVI is abundant, easy to produce, reactive with different kinds of contaminants. Nano-scale zero valent iron(NZVI), with the characters of small particle size, large specific surface area and surface energy, has higher reactivity, stronger reducibil

10、ity and adsorption with the same chemical property of ZVI. However, due to the lack of dispersibility and inoxidizability, its application in remediation of contaminated groundwater is limited, which made necessary to modify. For this reason, modification is needed to improve its properity in remedi

11、ng groundwater.This paper discussed the feasibility for lead-contaminated groundwater remediation with resin-modified NZVI, and constracted the reactor with organic glass column to study the remediation effect of dynamic conditions on the basis of batch experiments. The concrete research content and

12、 results are as follows:(1) The shape, main ingredients and stability of experimental modified-NZVI were characterized by SEM and XRD. The results suggested that the particles arranged to flocculent structure, with size ranged from 50 to 200nm. The IVparticles, mainly composed of Fe(0), were stable

13、for more than 60 days with stronger stability and inoxidizability.(2) Remediation effect of resin-modified NZVI for Pb polluted groundwater was studied, and basic reaction parameters, kinetics and mechanism was determined. The results indicated the reduction of Pb could be described by pseudo-first-

14、order kinetic model, and the mechanism was combined effect of adsorption and reduction. The removal rate of Pb using resin-modified NZVI was affected by many factors. The removal rate increased as the increase of resin-modified NZVI and the decrease of contaminant initial concentration. DO, as the e

15、lectron acceptor, can react with Fe(0) against Pb2+, so its beneficial for contaminant reduction in groundwater without oxygen. The initial pH had slight influence for the removal effect of Pb, which the optimum pH in 4 in this experiment.(3) The reduction of Pb by resin-modified NZVI followed a pse

16、udo-first-order kinetic model despite of the exist of different ions in groundwater, however Kobs was related to the species and concentrations of ions. SO42- and Cl- could promote the removal of Pb by destructibility of surface passivation or the formation of green rust. HCO3- and Pb2+ generated se

17、diment of PbCO3 when HCO3- excited, and significantly reduce the concentration of contaminant at a preliminary stage, and the pH buffing of HCO3- also accelerated the reactive process; Ca2+ and Mg2+ would easily form precipitationand restrain the reactive process with OH- in the groundwater, and Ca2

18、+ is sronger than Mg2+ with inhibiting effect.(4) Organic glass column test on the basis of batch experiments was constructed to simulate the contaminants migration and remediation in dynamic conditions , and to discuss the influence to remediation effect by dosage of resin-modified NZVI, addition o

19、f activated carbon and flow velocity. Remediation effect can be accelerated by increasing amount of the resin-modified NZVI; Pb removal effect can also be promoted with increasing activated carbon, however, the concentration of total soluble iron was very high at a preliminary stage, which may cause

20、 excessive amount of iron in groundwater; The growing velocity of groundwater would weaken Vremoval rate Pb contaminant. Key words: groundwater; Pb; resin-modified NZVI; remediationI目 录第 1 章 绪论 .11.1 地下水重金属污染及修复方法 .11.1.1 地下水重金属污染现状 .11.1.2 地下水重金属修复方法 .31.2 纳米零价铁在环境修复中的应用 .51.3 纳米零价铁的局限性及改性 .81.3.1

21、纳米零价铁的局限性 .81.3.2 纳米零价铁的改性 .81.3.3 目前研究中存在的主要问题 .121.4 研究目的、内容和技术路线 .121.4.1 研究目的 .121.4.2 研究内容 .131.4.3 技术路线 .14第 2 章 实验材料与方法 .152.1 实验试剂与仪器 .152.1.1 实验试剂与材料 .152.1.2 实验主要仪器 .152.2 实验方法 .162.2.1 树脂纳米铁处理铅污染动力学实验 .162.2.2 共存离子对树脂纳米铁处理铅污染地下水影响实验 .172.2.3 树脂纳米铁修复铅污染地下水动态模拟实验 .17II2.3 分析方法 .18第 3 章 树脂纳米

22、铁处理铅污染动力学研究 .193.1 树脂纳米铁的表征 .193.2 树脂纳米铁投加量对铅去除效果的影响 .213.3 初始污染物浓度对铅去除效果的影响 .233.4 DO 对铅去除效果的影响 .243.5 初始 pH 对铅去除效果的影响 .253.6 反应机理探讨 .273.7 小结 .29第 4 章 共存离子对树脂纳米铁处理铅污染地下水影响 .314.1 共存阴离子对树脂纳米铁处理铅污染地下水影响 .314.1.1 Cl-对处理效果的影响 .314.1.2 SO42-对处理效果的影响 .334.1.3 HCO3-对处理效果的影响 .344.2 共存阳离子对树脂纳米铁处理铅污染地下水影响 .

23、364.2.1 Ca2+对处理效果的影响 .364.2.2 Mg2+对处理效果的影响 .374.3 小结 .39第 5 章 树脂纳米铁修复铅污染地下水动态模拟研究 .405.1 树脂纳米铁粉用量对修复效果影响 .405.2 添加活性炭对修复效果的影响 .415.3 地下水流速对修复效果的影响 .43III5.4 小结 .44第 6 章 结论及建议 .466.1 结论 .466.2 建议 .47参考文献 .48个人简历及在学期间科研成果 .53致谢 .54第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 地下水重金属污染及修复方法1.1.1 地下水重金属污染现状水是人类赖以生存的重要自然资源和物质基础，

24、是社会可持续发展的基础与保证，环境与发展的核心。一般而言，水资源包括地表水、地下水和土壤水，是与人类社会用水有着密切联系，并可实现不断更新的淡水。据统计，我国水资源总量丰富，为 2.81104 亿 t，位于世界第六，但是由于我国人口众多，水资源人均占有量仅居世界第 121 位，是 21 个贫水及最缺水国家之一 1。地下水具有分布范围广、水量稳定、水质较好的特点，是水资源的重要组成部分，已受到人们的广泛关注。在全球的淡水资源组成中，地下水存量超过了河川及淡水湖泊的总和，地下水资源的开发利用成为我国解决生活、农业、工业用水等的重要方式。然而，随经济的快速发展，地下水污染呈现出由点向面、由浅至深、由

25、城市到周边蔓延的特点，其中重金属作为一种主要污染物已引起广大学者的关注。 “重金属”是指原子密度大于 4000kg/m3，或者比重大于 5 的元素，砷、硒为非金属，但是它们具有与金属相似的性质，为类金属，因此通常将这两种元素纳入重金属范围内。重金属元素是地壳的天然组成成分，其中一些元素还是人类健康必不可少的微量元素，但是一旦浓度过高则会导致中毒。一般来说，环境领域的重金属是指汞、镉、铅、铬、锌、铜、钴、镍及类金属砷等毒性较大，对环境产生严重污染的金属类物质 2。这些重金属离子（如Cd2+、 Pb2+、 Hg2+、Ag 2+和 As5+）最有毒的形式多以稳定氧化态形式存在于环境介质中，富集在动植物体内，与人体生物分子反应生成难以生物分解的稳定化合物，对人类健康造成威胁，如图 1.1 所示。