螯合树脂负载Pd/Cu联合零价铁去除水中硝酸盐的研究

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水体中过量的硝酸盐会对环境和生物体的安全造成威胁,因此需要对其采取适当的方法进行去除。利用活泼金属通过化学还原法去除硝酸盐具有操作便利,无有害副产物的优势,但产物中的氨氮占比较高,同样会对水环境造成污染。为了提高硝酸盐还原的速率和产物中氮气的比例,减少有害的氨氮的产生,双金属催化法也经常用于硝酸盐去除。本课题将钯铜负载在TP207螯合树脂上,制作Pd/Cu-TP207负载型双金属催化剂,以不同尺寸的零价铁作为还原剂用于硝酸盐还原。通过对零价铁(ZVI)和纳米零价铁(NZVI)-钯铜负载型催化剂系统在各种影响因素(金属比例、投加量、溶液初始pH、温度、初始硝酸盐浓度、共存阴离子、负载基质、还原剂种类等)下与硝酸盐的反应进行研究,总结了不同情况下硝酸盐和总氮的去除和含氮产物构成的变化,以及其反应机理和动力学规律。结果表明,与单独的铁粉作为还原剂时相比,负载型钯铜催化剂拓宽了反应的适宜pH范围,同时提高了系统对氮气的选择性。其中,NZVI作为还原剂时具有更高的硝酸盐去除效果,但ZVI作为还原剂时具有更高的氮气选择性。通过一系列实验设计和数据分析,得到了以下几条结论:(1)ZVI系统中性条件下对硝酸盐去除效果较好。在初始硝酸盐浓度为30mg/L,ZVI投加量在7.5g/L时,300min内硝酸盐去除63.16%,总氮去除57.76%,最终产物中氮气均占90%以上。与之相比,更少量的NZVI(1g/L)获得了更高的硝酸盐去除率(87.07%),但生成的氨氮占50%以上。(2)机理研究发现ZVI-钯铜负载型催化剂系统在中性条件下对氮气的高选择性主要原因在于中性环境下ZVI较低的腐蚀速率导致的较低的Fe2+浓度、较慢的硝酸盐还原速率以及较高的N/H比,共同减少了氨氮的生成。(3)催化剂或还原剂投加量和初始硝酸盐浓度对两种系统具有相似的影响,随着投加量升高和初始硝酸盐浓度降低,硝酸盐去除率升高。实验中所用到的几种共存阴离子均对硝酸盐去除存在不同程度的抑制作用。pH值和温度对两种系统的影响效果不同,主要原因是ZVI与NZVI的还原活性差异。(4)动力学研究发现,在相同条件下,使用少量的NZVI比其7.5倍剂量的ZVI作为还原剂时的反应速率常数提高了2-30倍。通过本研究,希望可以找到一种兼顾氮气选择性与硝酸盐去除率的化学还原去除硝酸盐的方法,并为相关研究提供参考。
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