金属铁与电解法还原难降解有机物反应机理和影响因素的研究

论文摘要

难降解有机物由于其生物毒性和难生物降解性，进入环境中会产生严重的污染。已有研究表明还原处理可有效去除难降解有机物，提高其可生化性。本论文采用零价铁还原、催化铁还原和电解还原法对以2，4-二硝基甲苯（DNT）为代表的难降解有机物进行了还原降解研究。重点研究了各种还原降解方法的影响因素、处理效果、反应机理和历程，以探索有效的非生物降解处理技术。 零价铁作为较活泼的金属，可以对2，4-二硝基甲苯产生还原降解作用。零价铁粉还原降解的影响因素包括零价铁粉的表面性质、溶解氧、溶液的pH值、有机物初始浓度和化学结构等。研究表明，零价铁表面酸洗活化后对还原处理效率影响显著；溶液中的溶解氧竞争金属铁腐蚀所提供的电子并抑制有机物的还原降解；溶液的pH值较低时可促进还原降解反应的进行；有机物浓度过高会对活性点产生竞争效应；硝基芳香族化合物的结构特征导致其还原降解的反应速度硝基苯＞间二硝基苯＞2，4-二硝基甲苯。 溶液中的共存离子对零价铁的还原降解性能影响明显。溶液中加入电解质硫酸钠后电导率增大，强化了有机物还原降解反应过程中的电子传递。Cl-通过点蚀方式增加零价铁表面的反应活性点。CO32-、SiO32-和PO43-与Fe2+反应并形成难溶于水的沉淀膜，抑制了零价铁粉的腐蚀。NH4+与Fe2+形成络合物[Fe（NH3）6]2+，并使零价铁粉表面保持活性。较低浓度的NO3-和NO2-能促进DNT的还原降解，浓度过高则抑制还原反应的进行。Cu2+、Ag+和Ni2+与零价铁反应形成了Cu／Fe、Ag／Fe和Ni／Fe双金属，对DNT的还原降解反应起到催化作用。 在酸性溶液中零价铁主要通过零价铁本身和新生态氢还原降解有机污染物，近中性条件时主要是零价铁的还原，碱性条件时几乎不发生还原降解反应。Fe2+和H2对DNT的还原降解贡献很少。DNT在零价铁的还原作用下先生成4A2NT和2A4NT，4A2NT和2A4NT继续被还原并最终生成DAT。零价铁粉在连续与DNT的反应过程中会出现钝化现象，将溶液的pH值调节至酸性（pH=2.0）或加入Cl-（2mmol／L）可以使零价铁重新活化。 杂质元素或高电极电位金属元素与基体金属铁形成腐蚀电池后加强了还原能力，催化了金属铁的还原降解反应。催化铁还原降解的影响因素包括：溶液的电导率、pH值、催化剂的投加量、摇床转速和反应温度等。研究表明，溶液

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 难降解有机物概述
• 1.1.1 难降解有机污染物
• 1.1.2 难降解有机物的治理方法
• 1.2 金属铁还原降解技术
• 1.2.1 金属铁还原在废水处理中的应用
• 1.2.2 其它金属及双金属体系还原在废水处理中的应用
• 1.2.3 金属铁还原与其它工艺的耦合在废水处理中的应用
• 1.3 电解还原降解技术
• 1.3.1 环境电化学
• 1.3.2 电解阴极还原在废水处理中的应用
• 1.4 硝基芳香族化合物的特性
• 1.5 课题立论依据与特点
• 第2章 研究背景、意义和内容
• 2.1 研究背景和意义
• 2.2 研究内容
• 2.3 实验部分
• 2.3.1 主要实验仪器和试剂
• 2.3.2 实验方法
• 2.3.3 分析和测试方法
• 第3章 零价铁还原处理难降解有机物的研究
• 3.1 零价铁的选择
• 3.1.1 金属还原材料的还原效果比较
• 3.1.2 不同来源零价铁还原效果比较
• 3.2 零价铁还原反应的影响因素研究
• 3.2.1 零价铁粉表面活化的影响
• 3.2.2 溶解氧的影响
• 3.2.3 溶液pH值的影响
• 3.2.4 溶液初始浓度的影响
• 3.2.5 零价铁投加量的影响
• 3.2.6 硝基芳香族化合物分子结构的影响
• 3.3 共存离子对零价铁还原反应的影响研究
• 3.3.1 电解质的影响
• 3.3.2 氯离子的影响
• 3.3.3 碳酸根离子的影响
• 3.3.4 硅酸根离子的影响
• 3.3.5 磷酸根离子的影响
• 3.3.6 铵根离子的影响
• 3.3.7 硝酸根和亚硝酸根离子的影响
• 3.3.8 铜、银和镍离子的影啊
• 3.4 零价铁的表而钝化研究
• 3.4.1 零价铁粉的钝化
• 3.4.2 酸性溶液对钝态零价铁粉活化
• 3.4.3 NaCl对钝态零价铁粉活化
• 3.5 零价铁还原降解硝基芳香族化合物的机理研究
• 3.5.1 零价铁的还原
• 3.5.2 亚铁离子的还原
• 3.5.3 新生态氢的还原
• 3.5.4 零价铁粉的吸附作用
• 3.5.5 不同pH值条件下零价铁的主要还原机理
• 3.5.6 反应产物与反应历程研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 催化铁还原处理难降解有机物的研究
• 4.1 催化铁还原材料的制备与表征
• 4.1.1 铁刨花还原体系
• 4.1.2 双金属还原体系
• 4.1.3 催化铁还原体系表征
• 4.2 催化铁还原体系的选择
• 4.2.1 催化铁还原体系与零价铁的处理效果比较
• 4.2.2 双金属还原体系的处理效果比较
• 4.3 影响因素与反应动力学研究
• 4.3.1 溶液pH值的影响
• 4.3.2 溶液电导率的影响
• 4.3.3 铜化率的影响
• 4.3.4 摇床转速的影响
• 4.3.5 反应温度的影响
• 4.4 催化铁还原体系反应性能研究
• 4.4.1 催化铁还原体系反应性能
• 4.4.2 催化铁还原体系的表面特征分析
• 4.4.3 溶液pH值和溶解态铁浓度的变化
• 4.5 催化铁还原降解硝基芳香族化合物的机理研究
• 4.5.1 含Fe（II）（氢）氧化物的还原作用
• 4.5.2 微观腐蚀电池的作用
• 4.5.3 双金属的作用
• 4.6 本章小结
• 第5章 电解还原处理难降解有机物的研究
• 5.1 实验装置和方法
• 5.1.1 实验材料与装置
• 5.1.2 实验方法
• 5.2 电解还原反应的影响因素与反应动力学研究
• 5.2.1 电流密度的影响
• 5.2.2 搅拌速度的影响
• 5.2.3 极水比的影响
• 5.2.4 极板间距的影响
• 5.2.5 电解质的影响
• 5.2.6 溶液pH值的影响
• 5.3 电解还原反应的电流效率
• 5.3.1 有机物电解还原的电流效率
• 5.3.2 有机物电解还原的电流效率计算
• 5.4 电解还原降解硝基芳香族化合物的机理探讨
• 5.4.1 阴极直接还原
• 5.4.2 阴极间接还原
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文与研究成果