改性纳米零价铁去除地下水硝酸盐的研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0337

摘要/Abstract

摘要：

采用提纯凹凸棒土（ATP）负载纳米零价铁（nZVI）制备得到改性材料ATP-nZVI，将其用于对地下水硝酸盐的去除研究。通过静水实验考察了溶液中共存阴离子和反应温度对ATP-nZVI去除NO₃^--N的影响，通过模拟可渗透反应墙（PRB）考察了溶液初始pH、初始NO₃^--N浓度、材料装填方式、流速对ATP-nZVI去除NO₃^--N的影响，并通过更换PRB装填材料将ATP-nZVI与石英砂、ATP、铁粉、nZVI等材料对NO₃^--N的去除效果进行了比较。结果表明：共存阴离子对ATP-nZVI去除NO₃^--N具有抑制作用，其抑制作用的顺序为PO₄^3->CO₃^2->SO₄^2->Cl^-；ATP-nZVI对NO₃^--N去除率与反应温度呈正相关，但总体来讲其受温度变化的影响并不明显；同一pH条件下，ATP-nZVI对NO₃^--N去除率随着硝酸盐溶液质量浓度的增大而减小；对于相同质量浓度的硝酸盐溶液，相比在中性和碱性环境，其在酸性条件下NO₃^--N去除率较高；ATP-nZVI的装填层数越多，对NO₃^--N的去除率越高，长效性也越好；流速越大，ATP-nZVI对于NO₃^--N的去除率越小，效果越差；PRB柱填充不同材料时的去除效果为ATP-nZVI＞nZVI＞铁粉（200目，即74 μm）>ATP>石英砂，ATP-nZVI作为PRB的填充材料时，系统对NO₃^--N的去除稳定性与去除率得到有效提升，具有良好的实用性。机制研究表明，ATP-nZVI对NO₃^--N的去除主要归因于nZVI的还原作用，而ATP对于nZVI的负载则加强了这种还原作用。

关键词: 凹凸棒土, 纳米零价铁, 反应渗透墙（PRB）, 硝酸盐

Abstract:

Modified material ATP-nZVI was prepared by purifying attapulgite（ATP） loaded with nano-zerovalent iron（nZVI） and was used to remove nitrate from groundwater. The effects of anions in the solution and reaction temperature on the nitrate removal by ATP-nZVI were investigated by hydrostatic experiments. The effects of initial pH，initial nitrate concentration，material loading method and flow rate of the solution on the nitrate removal by ATP-nZVI were investigated by simulated permeable reaction wall（PRB）. The nitrate removal effect of ATP-nZVI was compared with that of quartz sand，ATP，iron powder and nZVI by replacing the PRB loading materials. The results showed that the coexisting anions inhibited the removal of NO₃^--N by ATP-nZVI，and the inhibition sequence was PO₄^3->CO₃^2->SO₄^2->Cl^-. The removal rate of NO₃^--N by ATP-nZVI was positively correlated with reaction temperature，but it was not significantly affected. At the same pH，the removal rate of NO₃^--N by ATP-nZVI decreased with the increase of the mass concentration of nitrate solution. For nitrate solution with the same mass concentration，the removal rate of NO₃^--N was higher under acidic conditions than in neutral and alkaline environments. The higher the number of ATP-nZVI filling layers，the higher the nitrate removal rate and the better the long-term effectiveness. The higher the flow rate，the smaller the removal rate of nitrate by ATP-nZVI，and the worse the effect. When PRB column was filled with different materials，the removal effect was ATP-nZVI＞nZVI＞iron powder（200 mesh，74 μm）>ATP>quartz sand. When ATP-nZVI was used as the filling material of PRB，the removal stability and removal rate of NO₃^--N in the system were effectively improved，which had good practicability. The mechanism study showed that the removal of nitrate by ATP-nZVI was mainly attributed to the reductive action of nZVI，and the load of ATP on nZVI strengthened the reductive action.

Key words: attapulgites, nano-zerovalent iron, reaction penetration wall（PRB）, nitrate

中图分类号:

X703.1

张笑天, 张阳阳, 祖波, 张云霞, 陈克军. 改性纳米零价铁去除地下水硝酸盐的研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(3): 87-95.

Xiaotian ZHANG, Yangyang ZHANG, Bo ZU, Yunxia ZHANG, Kejun CHEN. Research on nitrate removal from groundwater by modified nano-zerovalent iron[J]. Industrial Water Treatment, 2023, 43(3): 87-95.

https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I3/87

图/表 14

图1 实验装置示意

Fig. 1 Schematic diagram of the experimental device

图2 不同处理方式的凹凸棒土对NO₃^--N的去除率

Fig. 2 Removal rates of NO₃^--N by attapulgite with different treatment methods

图3 材料的SEM

Fig.3 SEM of the materials

图4 材料的XRD
（a） ATP；（b） nZVI；（c）反应前ATP-nZVI；（d）反应后ATP-nZVI。

Fig. 4 XRD of the materials

图5 共存阴离子对ATP-nZVI去除NO₃^--N的影响（a）及NO₃^--N的转化（b）

Fig.5 Effect of coexisting anions on removal of NO₃^--N by ATP-nZVI（a） and the transformation of NO₃^--N（b）

图6 反应温度对ATP-nZVI去除NO₃^--N的影响（a）及NO₃^--N的转化（b）

Fig.6 Effect of reaction temperature on removal of NO₃^--N by ATP-nZVI（a） and the transformation of NO₃^--N（b）

图7 pH=5时ATP-nZVI对不同质量浓度的NO₃^--N的去除

Fig. 7 Removal of NO₃^--N with different mass concentrations by ATP-nZVI at pH=5

图8 pH=7时ATP-nZVI对不同质量浓度的NO₃^--N的去除

Fig. 8 Removal of NO₃^--N with different mass concentrations by ATP-nZVI at pH=7

图9 pH=9时ATP-nZVI对不同质量浓度的NO₃^--N的去除

Fig. 9 Removal of NO₃^--N with different mass concentrations by ATP-nZVI at pH=9

图10 不同装填材料对NO₃^--N的去除效果

Fig. 10 Removal of NO₃^--N by different filling materials

图11 装填方式对ATP-nZVI去除NO₃^--N的影响

Fig. 11 Effect of loading methods on NO₃^--N removal by ATP-nZVI

图12 流速对ATP-nZVI去除NO₃^--N的影响

Fig.12 Effect of flow rates on NO₃^--N removal by ATP-nZVI

图13 反应过程中pH、OPR和氮物种的变化

Fig.13 Changes of pH， OPR and nitrogen species in the reaction process

图14 反应机制图

Fig. 14 Reaction mechanism diagram

参考文献 9

1	王润泽. 皂河-渭河交汇区交互带三氮的迁移转化规律研究［D］. 西安：长安大学，2019.
	WANG Runze. Migration and transformation of nitrogen in Zaohe-Weihe intersection hyporheic zone［D］. Xi’an：Changan University，2019.
2	GUO Jifeng， GUO Ping， YU Miaomiao，et al. Chemical reduction of nitrate using nanoscale bimetallic iron/copper particles［J］. Polish Journal of Environmental Studies，2018，27（5）：2023-2028. doi:10.15244/pjoes/78439
3	VICENTE-MARTÍNEZ Y， CARAVACA M， SOTO-MECA A，et al. Adsorption studies on magnetic nanoparticles functionalized with silver to remove nitrates from waters［J］. Water，2021，13（13）：1757. doi:10.3390/w13131757
4	TAGHIZADEH S M， BERENJIAN A， ZARE M，et al. New perspectives on iron-based nanostructures［J］. Processes，2020，8（9）：1128. doi:10.3390/pr8091128
5	YANG G C C， LEE H L. Chemical reduction of nitrate by nanosized iron：Kinetics and pathways［J］. Water Research，2005，39（5）：884-894. doi:10.1016/j.watres.2004.11.030
6	CHOE S， LILJESTRAND H M， KHIM J. Nitrate reduction by zero-valent iron under different pH regimes［J］. Applied Geochemistry，2004，19（3）：335-342. doi:10.1016/j.apgeochem.2003.08.001
7	ZHANG Yun， LI Yimin， LI Jianfa，et al. Enhanced removal of nitrate by a novel composite：Nanoscale zero valent iron supported on pillared clay［J］. Chemical Engineering Journal，2011，171（2）：526-531. doi:10.1016/j.cej.2011.04.022
8	WANG Wei， JIN Zhaohui， LI Tielong，et al. Preparation of spherical iron nanoclusters in ethanol-water solution for nitrate removal［J］. Chemosphere，2006，65（8）：1396-1404. doi:10.1016/j.chemosphere.2006.03.075
9	CHEN Yao， JIA Fangxu， LIU Yingjie，et al. The effects of Fe（Ⅲ） and Fe（Ⅱ） on anammox process and the Fe-N metabolism［J］. Chemosphere，2021，285：131322. doi:10.1016/j.chemosphere.2021.131322

[1]	刘松麟, 杨庆峰, 邱辉强, 孙宇雯, 刘阳桥. CuO-Co₃O₄改性钛基纳米电极去除水中硝酸盐[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 46-53.
[2]	彭先春, 郑丽丽, 鹿浩然, 王赭枫, 朱正, 梁文艳. 硫/钢渣复合基质去除低碳源地表水中硝酸盐[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 41-48.
[3]	李然, 纪丽丽, 何前锐, 夏晓月, 王亚宁. 贻贝壳负载纳米零价铁去除钒（Ⅴ）的性能与机制[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 127-135.
[4]	平彩霞, 周鑫, 聂裕婷. 硫自养反硝化工艺亚硝酸盐积累研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 21-28.
[5]	刘畅益, 田佳旺, 张浩东, 秦哲. 改性芦苇材料的吸附脱氮性能及其资源化探究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 122-132.
[6]	房金峰, 曲莹, 赵玉博, 刘汝鹏, 张震, 齐震, 樊浩宇, 朱炜臣. 电容去离子技术去除水中硝酸盐的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(7): 29-37.
[7]	贾仲琪, 卫金秋, 宿辉, 刘宪斌. 纳米零价铁耦合高级氧化技术处理废水的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(7): 9-18.
[8]	谢健强, 张建美, 吕钰楠, 雷抗. 短程反硝化用于污水脱氮的机制、影响因素和工艺研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(7): 19-28.
[9]	徐湖淳, 杨辉, 于婷, 张珺博, 陈忠泰, 王思亚, 孙羽馨, 徐光景. 固体缓释碳源强化废水脱氮研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 20-30.
[10]	田佳旺, 何珊珊, 张涛, 秦哲. 磁性胺化芦苇基吸附剂的制备及脱氮性能研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 138-147.
[11]	何川, 李灿华, 李明晖, 都刚, 张永柱. 纳米零价铁的制备及其可持续性评估[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 44-59.
[12]	赵慧, 王富东, 钱光磊, 雷太平, 任春燕, 谢陈鑫. 电催化还原废水中硝酸盐制氨的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 60-72.
[13]	乐孝楠, 邹云杰, 黄瑞敏. 石墨相C₃N₄负载纳米铁材料处理制药废水[J]. 工业水处理, 2023, 43(9): 153-160.
[14]	许丹丹. 采用流动注射分析仪总氮通道测定硝酸盐氮的探讨[J]. 工业水处理, 2023, 43(5): 158-161.
[15]	李芸, 熊星星, 崔楠, 黄志远. 短程反硝化的微生物富集策略及应用研究进展[J]. 工业水处理, 2023, 43(3): 39-47.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容