Page 177 - 《精细化工》2022年第4期

第 4 期 韩依飏，等: 水热法制备 Fe/C 复合材料及其对地下水中三氯乙烯的降解性能 ·813·

fluidity was significantly higher than that of commercially available nZVI and Fe/C-pH10.
Key words: Fe/C composites; nZVI; groundwater remediation; trichloroethylene; degradation; water
treatment technology and environmental protection

三氯乙烯（TCE）是地下水中广泛存在的污染 欧化学试剂有限公司；无水 FeCl 3 （AR）、TCE（AR）、
物之一，国际癌症研究中心（IARC）和美国环境保 活性炭粉、氯化钠（AR）、无水乙醇（AR）、石英
护署（EPA）将 TCE 认定为Ⅰ类致癌物质 [1-2] 。对地 砂（粒径 125~300 μm），国药集团化学试剂有限公
下水中 TCE 的降解和去除具有重要意义。地下水处 司；去离子水自制。其他试剂均为市售分析纯，使
[3]
理技术分为异位处理 和原位处理 [4-7] 两种方法。异 用时未经进一步处理。
位处理包括抽出、气提、污染区域开挖等技术；原 GC7900 型气相色谱仪，上海天美科学仪器有限
位处理包括微生物修复、植物修复、原位化学氧化、 公司；GSL-1100X 型真空管式高温炉，合肥科晶材
渗透反应格栅、原位反应带修复（IRZ） [8-10] 等技术。 料技术有限公司；YXQM 型球磨机，长沙米琪仪器
IRZ 可在地下环境中创造一个反应试剂与污染物相 设备有限公司；ICS-600 型离子色谱仪，美国赛默飞
[8]
互作用的反应带，实现对污染物靶向去除 。相比 世尔科技有限公司；Nova NanoSEM 450 型扫描电子
于其他地下水修复技术，IRZ 具有施工设施简单、 显微镜，美国 FEI 公司；XRD-7000S 型 X 射线衍射
操作简便、可实时监测污染物变化、用时短和处理 仪，日本岛津公司；TGA/ DSC1 型热分析仪，美国
效果好等优点 [9-10] 。 梅特勒-托利多公司；Autosorb-iQ-C 型物理吸附仪，
nZVI 是 IRZ 技术中典型的反应试剂，其具有较 美国 Quantachrome 公司。
强的还原能力，对 TCE 的降解效果明显，且地下沉 1.2 Fe/C 复合材料的制备
积物中纳米颗粒的渗透性使 nZVI 原位定向注入含 将 16.6 g 蔗糖和 4.5 g 无水 FeCl 3 溶解在 100 mL
水层成为可能 [11] 。但 nZVI 易于氧化、团聚、对 TCE 去离子水中，在 300 r/min 下搅拌 30 min，用质量分
的识别不具有靶向性、流动性差，限制了其在地下 数 25%的氨水或 1 mol/L 盐酸将混合物的 pH 调整到
水修复中的广泛应用 [12-14] 。为了提高 nZVI 的地下 pH=2、4、6、8 和 10。将获得的混合物转移到 100 mL
传输性和保持反应活性。研究人员通过表面改性和 有聚四氟乙烯内衬的反应器中，180 ℃下反应 6 h。
载体负载 nZVI 的方法提高 nZVI 的分散稳定性。利 将反应器自然冷却至室温，离心分离固体产物，用
用高分子聚合物或聚合电解质对 nZVI 进行表面改 去离子水洗涤 3 次，去除水溶性有机残留物。产物
性 [15-16] 会覆盖 nZVI 的反应位点，导致产物活性下 在 50 ℃下 12 h，得到黑棕色粉末。pH=2、4、6、8
降；利用黏土、硅藻土、二氧化硅等载体对 nZVI 和 10 下制备的中间产物分别命名为 IP-pH2、
进行负载 [17-19] 时，这些材料本身不适合地下传输或 IP-pH4、IP-pH6、IP-pH8、IP-pH10。
与 TCE 类污染物没有很强的吸附力，使处理效果欠 将中间产物进一步转移到真空管式高温炉进行
佳。与其他载体相比 [20-21] ，生物质炭具有价廉、可 炭化。氮气保护下，炭化温度为 720 ℃，炭化时间
降解等优点 [22] 。目前，鲜见以蔗糖为碳源通过水热 为 360 min。在此过程中，炭还充当还原剂，将水热
法负载 nZVI 用于降解地下水中 TCE 的报道。 得到的中间产物中的铁化合物进行还原，得到零价
为了提高 nZVI 传输性和分散稳定性，考察了 铁。将反应体系自然冷却到室温后，得到最终产物
不同 pH 对制得蔗糖生物炭负载 nZVI 形貌和性能的 Fe/C 复合材料。pH=2、4、6、8 和 10 下制备的 Fe/C
影响。本研究以蔗糖为碳源，采用水热法与 FeCl 3 复合 材料 分别 命名 为 Fe/C-pH2 、 Fe/C-pH4 、
反应，在不同溶液 pH 下合成了系列 Fe/C 复合材料 Fe/C-pH6、Fe/C-pH8、Fe/C-pH10。
（Fe/C）。通过 SEM、XRD、TG、N 2 吸附-脱附对 1.3 结构表征与性能测试
不同 pH 下制备的产物形态和组成进行了表征。通 利用扫描电子显微镜表征产物的微观形貌。利
过产物（主要为乙烷和少量乙烯）、氯离子定量检测
用 X 射线衍射仪（λ=0.154 nm）对样品的组成及晶
评价了不同 pH 下制备的 Fe/C 对 TCE 的降解能力。
像结构进行分析。利用拜德-谢勒方程 D= Kλ/(βcosθ)
通过砂柱模型评价了球磨后 Fe/C-pH10-Q 的迁移
〔其中：D 为平均晶体直径，nm；β 为修正峰宽；K
率。以期为地下水中 TCE 的处理提供理论依据。
为与晶体形状相关的常数；λ 为所采用的 X 射线波
长，nm；θ 为衍射角，(°)〕估算产物中 nZVI 的平均晶
1 实验部分
体尺寸。在空气条件下，加热速率为 10 ℃/min，利
1.1 试剂与仪器 用热重分析仪测试产物中 nZVI 的含量。采用物理
蔗糖、氨水溶液（质量分数 25%），天津市科密 吸附仪测定产物的比表面积（BET 法）和孔径大小。