简述废水亚硝酸盐去除工艺分析
亚硝酸盐广泛存在于地下水和地表水中,造成水体亚硝酸盐污染的主要原因是过量化肥的使用,以及动物粪便、生活污水和工业废水的不合理处置等。研究表明,饮用含有亚硝酸盐的水会对人体产生毒害作用,长期饮用会导致癌症发病率的提高。目前去除废水中亚硝酸盐最普遍的方法是采用生物处理,但是生物处理工艺存在多种缺陷,如去除率低、去除周期较长和需要添加其他有机物质等问题,这往往会造成二次污染等问题。近几年,纳米铁由于具有比表面积大、吸附性能优良和反应活性高等特点常应用于处理环境中的染料、磷酸盐等污染物。
已有研究表明,Fe0可以有效的去除水中的亚硝酸盐。传统合成纳米铁的方法是化学合成法,此方法虽然能合成纯度较高的纳米铁,但在合成过程中需要使用一些有毒的化学物质,存在二次污染等问题。目前,植物叶片的提取液开始应用于制备纳米铁材料,其基本的原理是利用提取液中的黄酮、蛋白质和咖啡因等活性物质将金属铁盐还原为纳米铁,本课题组利用桉树提取液(EL)绿色合成纳米氧化铁颗粒(IONP)与传统的化学方法相比,可有效的避免有毒的化学物质使用,具有环境友好性,而且桉树提取液中的无还原作用的有机物可以对合成的纳米铁系材料覆盖包裹,可以有效的防止材料被氧化;此外,目前绿色合成纳米铁多采用茶叶的提取液,相比于茶叶,桉树叶具有廉价易得的优点,更具有实际应用的价值。
前期研究发现,阳离子表面活性剂CTAB能有效的改善纳米氧化铁的稳定性和分散性,提高对磷酸盐等污染物的去除效果,但是不同浓度的CTAB对绿色合成的纳米氧化铁的影响还有待进一步研究,目前国内外关于绿色合成纳米氧化铁去除亚硝酸盐的研究也鲜有报道。基于此,本研究用不同浓度表面活性剂CTAB对绿色合成的纳米氧化铁进行改性,并表征CTAB-IONP的微观结构,比较IONP和CTAB-IONP对亚硝酸盐的去除效率,以研究改性后的性能;此外,探究了投加量、溶液初始浓度、温度和pH值对亚硝酸盐去除的影响,同时进行了动力学研究,提出了CTAB作用下IONP去除亚硝酸盐的可能机理。
1材料与方法
1.1试剂
桉树叶摘自福州市闽侯区福建师范大学旗山校区,无水醋酸钠、六水合氯化铁、无水乙醇、磷酸、对氨基苯磺酰胺、N-(1-萘基)-乙二胺二盐酸盐、亚硝酸钠、浓氨水、硫酸铝钾和亚硝酸钠,所有试剂均为分析纯。
1.2仪器
DZF-6020型真空干燥箱:上海精宏实验设备有限公司;GZX-9070MBE数显鼓风干燥箱:上海博讯实业有限公司医疗设备厂;SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵:巩义市予华仪器有限责任公司;THZ-320台式恒温振荡器:上海精宏实验设备有限公司;紫外可见分光光度计UV-1902:上海凤凰光学科仪有限公司。
1.3桉树提取液合成纳米氧化铁的制备
1.3.1桉树提取液的制备
称取洗净晾干的桉树叶30g剪碎后加到500mL蒸馏水中,在80℃条件下恒温水浴1h后,用0.45μm滤膜真空抽滤,抽滤得到的滤液即为桉树叶提取液(EL),将滤液储存在棕色玻璃瓶内。
1.3.2纳米氧化铁IONP的制备
将恒温水浴锅设定为70℃,固定好烧杯和机械搅拌棒;用量筒量取120mLEL置于250mL烧杯或锥形瓶中,再在分析天平上依次称取19.68gNaAc,6.48gFeCl3·H2O加到桉树提取液中,搅拌反应2h,反应后生成黑色产物,用真空抽滤泵抽滤先水洗再用无水乙醇洗2~3次,得到的黑色产物置于真空干燥箱中烘干,设定温度45℃;隔天取样过110目筛即得IONP。
1.4不同投加量CTAB作用下EL合成IONP
取浓度分别为0.2mmol·L-1CTAB、0.4mmol·L-1CTAB、2mmol·L-1CTAB加到含有19.68gNaAc,6.48gFeCl3·H2O的120mL桉树提取液中,其他条件同1.3.2,从而得到0.2mmol·L-1CTABIONP、0.4mmol·L-1CTAB-IONP和2mmol·L-1CTAB-IONP。
1.5亚硝酸盐的吸附实验
吸附反应在50mL的棕色瓶中进行,反应温度为30℃,样品的投加量为4g·L-1,分别称取0.1gIONP,0.1g0.2mmol·L-1CTAB-IONP,0.1g0.4mmol·L-1CTAB-IONP,0.1g2mmol·L-1CTAB-IONP加入到25mL溶液浓度为20mg·L-1的亚硝酸钠溶液中,在振荡速度为150r·min-1的摇床中分别振荡1、2、6、12、18、24和36h取样,用0.45μm滤膜过滤后,采用盐酸萘乙二胺分光光度法测定亚硝酸盐的浓度,以去除率来评价吸附剂的性能。所有的实验均平行3次。
1.6不同条件下CTAB-IONP吸附NO2-对比
1.6.1投加量对吸附亚硝酸盐的影响
取一系列50mL的棕色瓶分别加入25mL浓度为20mg·L-1的亚硝酸钠溶液,测得pH约为6,向溶液中加0.4mmol·L-1CTAB-IONP,投加量分别为1、2、4、6、8和10g·L-1,试样在30℃,150r·min-1的恒温摇床中反应36h后取出,用0.45μm滤膜过滤后,采用盐酸萘乙二胺分光光度法测定亚硝酸盐的浓度,计算去除率;实验均平行3次。
1.6.2初始浓度对吸附亚硝酸盐的影响
其他同1.6.1,0.4mmol·L-1CTAB-IONP投加量设定为4g·L-1,改变亚硝酸钠溶液浓度分别为20、40、60、80和100mg·L-1。
1.6.3温度对吸附亚硝酸盐的影响
其他同1.6.2,亚硝酸钠溶液浓度设定为20mg·L-1,改变温度为20、30和40℃。
1.6.4pH对吸附亚硝酸盐的影响
其他同1.6.3,温度设定为30℃,测得溶液的初始约为6,通过滴加0.1mmol·L-1HCl和0.1mmol·L-1NaOH调节溶液的pH分别至2.42、4、6.02、7.82、9.96和12.24。
2结果与讨论
2.1X射线光电子能谱分析(XPS)
1为绿色合成纳米氧化铁(IONP)的Fe2p轨道的谱,其在711.57和724.77eV处的吸收峰证明了合成的材料含有四氧化三铁,同时在719eV附近没有出现γ-Fe2O3特有的卫星峰,说明了制得的材料为纳米Fe3O4。
2.2改性和未改性绿色合成氧化铁去除亚硝酸盐的效率
在30℃、投加量为4g·L-1、摇床振速150r·min-1、初始pH(约为6)、初始浓度为20mg·L-1的亚硝酸钠溶液中,考察EL合成的IONP和不同CTAB浓度改性的IONP对亚硝酸盐的去除,结果如2所示。
从2中可以看出,未经CTAB改性的IONP吸附亚硝酸盐的反应速率较慢,在反应进行1h后,去除率仅为1.87%;而经0.2、0.4和2mmol·L-1CTAB修饰的IONP反应速率较快,1h时去除率分别为32.52%、34.05%和27.01%,反应速率提高的原CTAB吸附在纳米铁颗粒的表面从而使其带正电,加快了反应的进行。一方面由于纳米粒子带正电在斥力作用下增加了纳米铁颗粒的分散度;另一方面由于修饰后带正电可以与亚硝酸盐粒子形成静电吸附。随着反应不断进行,反应速率逐渐变慢,原因可能是材料表面的活性位点逐渐被亚硝酸盐占据。当反应进行到36h时基本达到平衡,此时IONP、0.2mmol·L-1CTAB-IONP、0.4mmol·L-1CTAB-IONP、2mmol·L-1CTAB-IONP对亚硝酸盐的去除率分别为74.31%、93.79%、97.32%和96.11%。此外,加入的CTAB浓度对改性的IONP去除亚硝酸盐效率影响较大,其中,0.4mmol·L-1CTAB-IONP的去除效率最高,原因是表面活性剂的分子结构特点决定了其在溶液中会形成胶束,形成胶束的大小可以通过改变表面活性剂的浓度来实现,当投加量过少时不能完全改变纳米氧化铁易团聚的问题,而投加的CTAB的浓度超过临界束浓度(CMC)之后,会形成球状胶团包裹在IONP的表面从而使吸附位点被完全包裹。
2.3傅里叶变换红外光谱
为CTAB-IONP反应前后的的红外光谱,在CTAB-IONP的红外光谱中,3412cm-1附近为羟基的振动吸收峰,1426cm-1和1552cm-1处分别为桉树提取液中多酚类物质中芳香环上的羟基的振动吸收峰和碳碳双键的伸缩振动峰,544cm-1和662cm-1附近分别为Fe3O4和Fe2O3中Fe—O的伸缩振动峰,说明合成的FeNPs中含有纳米氧化铁。反应后,544.4cm-1和454.3cm-1处的吸收峰都出现不同程度的偏移说明该特征峰对应的官能团(也就是Fe—O)在去除亚硝酸盐的过程中发生了反应才导致峰的偏移。欢迎了解更多关于与的相关信息，欢迎前来了解咨询。