硅胶负载纳米锌降解水中有机污染物的效果及机理研究

Nanoscale zero-valent zinc supported by silica gel (nZVZ/SG) is synthesized by a modified potassium borohydride reduction method and characterized with scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and specific surface area (SSA). The effects of nZVZ loading on SG, nZVZ/SG dosage, pH and the initial concentration of organic contaminants on the degradation of methyl orange, acid orange 7, carbon tetrachloride, 1,3-dichlorobenzene, and the reaction kinetics are investigated in batch experiments. The total organic carbon (TOC), the intermediate products, the final products, pH are determined and nZVZ/SG before and after reactions are characterized in order to reveal the mechanism of the degradation of organic contaminants by nZVZ/SG, and the synergistic mechanism of silica gel. In the column experiments, the penetrating curves of organic contaminants degradation by nZVZ/SG and the effects of the heights and diameters of columns on the degradation of organic contaminants are studied. The concentration of Zn2+ released in the system is determined and controlled, and the effect of continuous use of nZVZ/SG is observed. The purpose of the proposal is to provide the important basis of the theory and references of the technology from the results obtained in the study for searching for the novel methods of economic, high performance and environmental benefit to the removal of organic contaminants.

本项目采用液相化学还原法制备硅胶负载纳米锌（nZVZ/SG），并对合成材料进行电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和比表面积（SSA）等表征。通过批次试验研究复合材料降解偶氮染料甲基橙和酸性橙7及氯代烃四氯化碳和1,3-二氯苯的处理效果，并考察材料投加量、nZVZ负载量、pH以及污染物初始浓度对nZVZ/SG降解有机污染物的影响及其反应动力学；分析检测反应体系中总有机碳（TOC）、有机物降解中间产物、以及产物和溶液pH等，并对反应前后的复合材料进行表征，揭示nZVZ/SG降解水中有机污染物的机理及硅胶的增效机制；通过淋滤实验研究nZVZ/SG体系对降解水中有机污染物的穿透曲线以及柱径、柱高和流速等对降解效果的影响，检测并采取有效方法控制体系中锌离子的溶出，并观察nZVZ/SG连续使用效果，最终为开发应用经济高效、环境友好的有机污染物处理新技术提供重要的理论依据和技术参考。

通过批次试验研究了多种环境污染物包括偶氮染料甲基橙和酸性橙7，氯代烃四氯化碳和1,3-二氯苯、持久性有机污染物硫丹，环境中荷尔蒙类化合物2，4-二氯苯酚，除草剂莠去津，广谱抗生素氯霉素，及重金属Cr(VI)、As(III)和As(V)在硅胶负载纳米锌体系（nZVZ/SG）中的降解去除效果，并考察光照条件和超声条件、材料投加量、pH以及污染物初始浓度对nZVZ/SG处理环境污染物的影响及其反应动力学。相比于微米级锌粉，单独nZVZ提高了污染物的去除速率和降解效果，但是单独纳米锌作为纳米材料有着明显的应用弊端，即容易发生团聚，导致与污染物接触不充分，而且反应过程中由于pH的升高容易生成锌的氧化物及氢氧化物薄膜覆盖在其表面，使得污染物还原去除缓慢或降解不够彻底。硅胶的加入不仅起到负载和分散零价锌的作用，还对纳米锌还原降解有机污染物有缓冲、缓解氧化及与副产物锌离子生成强絮凝材料等多重增效机制。本研究还分析检测了反应体系中总有机碳（TOC）、有机物降解中间产物、以及产物和溶液pH等，并对反应前后的材料进行表征，揭示nZVZ/SG降解水中有机污染物的机理及硅胶的增效机制。并在完成有机污染物还原脱色或脱氯之后，后续引入了光照条件，以探讨有机污染物的矿化情况，为偶氮染料的彻底矿化降解提供了研究方法和思路；并且采用环境友好材料纳米羟基磷灰石对反应过程中产生的重金属离子Zn2+进行吸附处理，使处理后的废水达到国家污水综合排放标准。硅胶的加入使得目标污染物的还原降解在短时间内彻底完成。而且当硅胶与nZVZ共存的时候，无论体系在酸性、中性、还是碱性时，污染物的还原降解都取得了非常明显的效果，而且反应后体系pH均保持在近中性，这对实际应用中污水的排放意义重大。