[发明专利]一种生物表面活性剂改性纳米铁/炭复合材料的制备方法及其去除地下水中硝态氮的用途

说明书

技术领域：本发明属于地下水污染修复领域，具体公开了一类生物表面活性剂改性纳米铁/炭及其制备方法和用途

背景技术：

由于农业氮肥的过量使用、含氮工业与生活废水的不达标排放、固体废物淋滤下渗等原因，造成地下水中硝酸盐污染严重(毕晶晶等，2010)。欧盟环境署在2003年调查发现：西班牙有80％、英国有50％、德国有36％、法国有34％、意大利有32％的地下水体中硝酸盐氮浓度的平均值大于25mg/L(BussSetal.,2008)。在比利时、埃及等国家过量使用氮肥50-75Kg/ha(V.G.Mineevetal.,2015)。在我国，超过一半地区浅层地下水遭到硝酸盐氮的污染，严重影响地下水水质(李发东等，2013)，而农业生产过程中，氮肥的平均利用率不到40％(张青松等，2010)，是造成地下水硝酸盐污染的主要原因。

地下水中NO₃^--N(NO₃^--N，即硝态氮，指硝酸根中的氮元素)的去除方法大致分为化学、物理化学、生物处理三种(毕晶晶等，2010)。应用最多的是物理化学方法，其中零价纳米铁由于来源广、表面积大、强氧化性(MichelleDickinsonetal.,2015)等优点得到广泛的研究，但是在场地修复中发现纳米铁容易团聚、氧化(DanlieJiangetal.,2014)，限制其在地下水中的应用，因此需对纳米铁进行改性。

有现有技术采用分散剂对纳米铁进行表面改性，分散剂可以包覆在纳米铁表面，有效地减少其团聚及氧化，目前采用较多的是聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸(PAA)、淀粉、羧甲基纤维素钠等(MichelleDickinsonetal.,2015；JiemvarangkulPetal.,2011)。PijitJiemvarangkul等人采用PVP、PAA以及大豆蛋白等三种聚合电解质对纳米铁进行改性，明显提高了其稳定性及迁移能力，增大了地下水污染修复的反应区域(JiemvarangkulPetal.,2011)。其缺点是往地下水中引入化学表面活性剂可能会造成潜在的污染风险。

现有技术也有采用在纳米铁上负载其他金属，构成双金属结构的方法，对纳米铁进行表面改性。这样既能减少纳米铁的氧化，又能构成微电解结构，提高反应活性，目前研究最多的负载金属为Pd、Cu、Pt等(刘向文等，2014)。S.MossaHosseini等人在纳米铁表面负载金属铜构成纳米Fe/Cu颗粒，发现添加2.5％Cu的Fe/Cu颗粒在与NO₃^--N反应200min后仍有较高的去除效率，说明纳米铁的表面形成一层铜的氧化物保护膜，防止纳米铁被氧化(Ataie-AshtianiBetal.,2011)。其缺点是往地下水中引入重金属可能会造成污染风险。

生物表面活性剂由于具有较强的分散性能，又容易被微生物降解，被应用于食品、化妆品、农业和石化等行业(MortezaAbbasiaetal.,2014；余晓倩等，2015)，但是将其应用在地下水污染修复中研究还比较少见。

发明内容

为了达到既能减少纳米铁的团聚、提高分散稳定性，又不造成二次污染的目的，本发明采用生物表面活性剂对纳米铁进行改性。纳米铁吸附在活性炭上，为纳米铁碳复合材料，即纳米铁/碳复合材料。

本发明具体采用茶皂素、无患子皂苷、鼠李糖脂三种生物表面活性剂对纳米铁进行改性并附着在活性炭上，去除水中NO₃^--N(硝态氮)。通过批试验、沉降试验、迁移试验验证其对纳米铁/炭复合材料的改性作用及对硝态氮去除效率的影响，为应用在地下水污染修复中提供新材料和新方法。

茶皂素是从油籽茶饼中提取出的产品，其基本结构是由糖体、有机酸和配基组成的，属于五环三萜类皂甙，其中甙元是β-香树素的衍生物，是一种天然表面活性剂(熊道陵等，2015)。

无患子果实的主要化学成分为无患子皂苷，为天然的非离子型表面活性剂(黄素梅等，2009)。

鼠李糖脂是一种生物型阴离子表面活性剂，目前研究最多的是从假单胞菌中提取，同时也是一种应用技术最为成熟、研究时间最长的生物表面活性剂(吴虹等，2007)。

本发明所述的生物表面活性剂改性纳米铁/炭复合材料，为采用液相还原法制备纳米铁，并将其负载在活性炭上构成纳米铁/炭复合材料。

本发明提供了一种制备生物表面活性剂改性纳米铁/炭复合材料的方法，包括以下步骤：(1)将生物表面活性剂溶于乙醇溶液；