發(fā)布時間：2020-03-26 15:16

【摘要】：人類活動導(dǎo)致大量污染物排放到環(huán)境中,造成環(huán)境污染,嚴(yán)重威脅人類健康和生態(tài)環(huán)境。其中工業(yè)活動產(chǎn)生的重金屬污染和化肥濫用造成的氮素污染問題尤為突出。因此,如何有效治理環(huán)境中重金屬污染、控制氮肥流失、降低氮素污染成為世界環(huán)境及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亟待解決的難題。納米材料因其比表面積大、活性位點多等優(yōu)點,廣泛用于環(huán)境中重金屬和氮素污染物的去除,并取得了良好的效果。然而,這些研究大多數(shù)都停留在水體污染物治理階段,關(guān)于土壤污染物治理的研究還非常少。這是因為納米材料對土壤污染物進行處理后,很難將其從介質(zhì)中徹底分離。在制備納米材料過程中,對材料進行復(fù)合、功能化而制備的功能化納米復(fù)合材料通常具備更優(yōu)異的性能,不僅可高效去除水環(huán)境中的污染物,還可用于土壤污染物治理。本論文制備了多種功能化納米復(fù)合材料,具備較大的比表面積、高的孔隙率和多的活性位點等性質(zhì),不僅可高效去除水體和土壤中重金屬污染物,還可控制氮肥流失降低氮素污染。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1.在已有的磁性核殼碳納米材料去除環(huán)境中六價鉻工作中,這些材料一般存在碳層薄,活性位點缺乏等問題,因此材料的吸附性能不好,不利于重金屬的去除。在本文第二章,通過一步模板法制備了核殼型磁性Fe3O4@C納米材料,用于去除水溶液中的六價鉻(Cr(Ⅵ))。該納米材料的核殼厚度可通過前體物的濃度進行調(diào)節(jié),且Fe3O4@C納米顆粒的碳層厚度、孔徑和化學(xué)基團數(shù)量隨材料粒徑增加而顯著增加。因為具備高孔隙率和豐富的官能團,該材料的碳層結(jié)構(gòu)可高效吸附Cr(Ⅵ)離子,并通過氧化還原作用將其還原成低毒性的三價鉻(Cr(Ⅲ))。同時Cr(Ⅲ)可通過羧基螯合在材料表面。在此實驗中,納米材料對Cr(Ⅵ)的去除效率隨碳層厚度增加而顯著增加。更重要的是,這些具有高磁化和超順磁性的Fe3O4@C納米粒子可以很容易地從溶液中進行磁分離回收,實現(xiàn)污染物的快速分離。該章節(jié)提供了一個調(diào)整多孔Fe3O4@C微觀結(jié)構(gòu)的簡單方法,所制備的多孔磁性Fe3O4@C具備優(yōu)異的Cr(Ⅵ)去除性能,因此該材料可作為一種有效的潛在吸附劑用于水溶液中其他重金屬污染物的處理。2.近年來,磁性陶粒因易分離和機械強度高等性能被用來治理污水。但是,磁性陶粒的孔隙率低、活性位點少、缺乏后續(xù)分離手段,因此很難用來去除土壤中的重金屬。本論文的第三章,制備了碳納米球包覆的磁性陶粒,然后用聚乙烯亞胺對磁性陶粒進行固定化和功能化,進而得到了納米復(fù)合材料。制備所得的碳納米顆粒具備大量的氨基和含氧活性基團(-OH、-COOH),且均勻分布在磁性陶粒的表面,同時其尺寸和分散性可通過前體物濃度控制。該復(fù)合材料能高效去除水體和土壤中的Cr(Ⅵ),且能將Cr(Ⅵ)還原為低毒性的三價鉻Cr(Ⅲ),還原所得的Cr(Ⅲ)可以通過質(zhì)子化胺基螯合在材料表面。重要的是,去除后的終產(chǎn)物可通過磁分離系統(tǒng)從水和土壤中分離收集。本工作對修復(fù)污染水土中的Cr(Ⅵ)提供了廉價、便利、有效的可行性實驗方案。3.隨著工業(yè)化發(fā)展,廢棄巖棉的產(chǎn)量日益增加,它們大部分被直接掩埋或者燒掉,不僅浪費大量的人力物力,還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。已有研究將廢棄巖棉作為包裹材料或過濾床用于去除污染廢氣。但是,因為缺乏有效的修飾方法,廢棄巖棉很難大規(guī)模用于去除環(huán)境污染物。本論文第四章,制備了一種功能化廢棄巖棉負(fù)載零價納米復(fù)合納米材料,該復(fù)合材料可高效去除水溶液和土壤中的重金屬Cr(Ⅵ)。這種功能化納米材料是由酸改性廢棄巖棉和零價鐵納米顆粒復(fù)合而成。圓柱狀巖棉經(jīng)酸改性后,發(fā)生裂解形成多孔的桿狀結(jié)構(gòu),因此可以裝載大量的零價鐵納米顆粒。由于空間位阻效應(yīng),酸改性巖棉能有效抑制零價鐵納米粒子的團聚和氧化。該復(fù)合材料具有較高的比表面積,可通過吸附和還原協(xié)同作用去除水溶液和土壤中的Cr(Ⅵ),且對水溶液中Cr(Ⅵ)的平衡吸附量為197.69 mg/g。同時,該材料具有較高的飽和磁化強度(41.27 emu/g),可在外磁場作用下實現(xiàn)最終產(chǎn)物的快速分離。本實驗中,功能化巖棉材料被負(fù)載到微/納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過濾棉中得到一種高效過濾層,可有效控制Cr(Ⅵ)的遷移。4.尿素經(jīng)尿酶水解后易遷移到環(huán)境中,大大降低了氮肥的利用效率,并且嚴(yán)重污染環(huán)境。為了解決這一問題,本論文第五章利用腐植酸鈉、凹凸棒土和聚丙烯酰胺為主要原料,成功制備出一種納米網(wǎng)絡(luò)狀復(fù)合材料。該納米復(fù)合材料可作為肥料增效劑(FS),有效抑制尿素水解、減少氮素?fù)p失、提高肥料的利用率。此外,FS能顯著促進作物氮攝取相關(guān)基因的表達和作物生長,同時有效提高玉米根離子通量,增加土壤有機質(zhì)含量。FS可以改變土壤中的微生物菌落分布,增加參與氮代謝、有機質(zhì)降解、離子循環(huán)和光合作用的細菌數(shù)量。重要的是,該技術(shù)有良好的生物安全性,在減少非點源農(nóng)業(yè)污染方面具有巨大的潛力。
【圖文】：

逡逑Ｈｕａｎｇ等人通過聚合物交聯(lián)法用殼聚糖修飾羧基化多壁碳納米管制備了一逡逑種功能化碳納米管（圖１．２），快速去除水溶液中的Ｃｒ（ＶＩ）［４７］。通過殼聚糖修飾，逡逑碳納米管的吸附容量顯著增加，并且能夠有效縮短去除Ｃｒ（ＶＩ）的吸附反應(yīng)時間，，逡逑其最大吸附容量為１４３－１６４邋ｍｇ／ｇ。數(shù)據(jù)表明，功能化碳納米管吸附Ｃｒ（ＶＩ）的機理逡逑包括物理靜電吸附和氧化還原反應(yīng)。此外，解吸研究還表明，該材料重復(fù)使用４逡逑次后，對Ｃｒ（ＶＩ）的去除率仍高達９８－１００％。逡逑４逡逑

ＩＥＩｊ邋Ｌ＆Ｊ逡逑？邋Ｃｒ＜ＶＩ）逡逑圖１．３磁性卩－環(huán)糊精／氧化石墨烯納米復(fù)合材料（ＭＣＧＮｓ）的合成過程及其在外加磁場條件逡逑下對Ｃｒ（ＶＩ）的去除［４９１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ邋ｏｆ邋ＭＣＧＮｓ邋ａｎｄ邋ｔｈｅｉｒ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｒｅｍｏｖａｌ邋ｏｆ邋Ｃｒ（ＶＩ）邋ｗｉｔｈ邋ｔｈｅ邋ｈｅｌｐ邋ｏｆ逡逑ａｎ邋ｅｘｔｅｒｎａｌ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｉｅｌｄ．１４９１逡逑Ｆａｎ等人成功制備了一種制備磁性ｐ－環(huán)糊精／氧化石墨烯納米復(fù)合材料［４９］。逡逑如圖１．３所示，該納米粒子的最大飽和磁化強度為５０．１３邋ｅｍｕ／ｇ，可實現(xiàn)樣品的快逡逑５逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X50;TB383.1

【參考文獻】

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1 Ya Cheng;Tinglin Huang;Xinxin Shi;Gang Wen;Yuankui Sun;;Removal of ammonium ion from water by Na-rich birnessite:Performance and mechanisms[J];Journal of Environmental Sciences;2017年07期

2 鮑先揚;Amjad Ali;喬冬玲;劉宏生;陳玲;余龍;;高分子材料在控緩釋化肥中的應(yīng)用與發(fā)展前景[J];高分子學(xué)報;2015年09期

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本文編號：2601615