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博碩士論文 etd-0831105-174820 詳細資訊
Title page for etd-0831105-174820
論文名稱
Title
結合鈀化奈米鐵粉懸浮液與電動力法處理地下環境介質中之三氯乙烯
Treatment of Trichlorothylene in the Subsurface Environment Using the Suspension of Nanoscale Palladized Iron and Electrokinetic Remediation Process
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
165
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2005-06-01
繳交日期
Date of Submission
2005-08-31
關鍵字
Keywords
電動力法、土壤與地下水污染、鈀化奈米鐵粉、三氯乙烯
groundwater pollution, soil contamination, electrokinetic process, remediation, palladized nanoiron, trichloroethylene
統計
Statistics
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中文摘要
本研究以三氯乙烯(TCE)作為土壤污染整治試驗之主要標的污染物,並探討採用鈀化奈米鐵懸浮液與電動力法組合技術之整治成效。首先於實驗室利用化學還原法自行合成奈米鐵粉與鈀化奈米鐵粉,並藉由掃描式電子顯微鏡觀測得粒徑絕大部分介於50~80 nm間;利用比表面積分析儀測得奈米鐵以及鈀化奈米鐵之BET比表面積分別為76.88 m2/g及100.61 m2/g;由X-光繞射分析儀測得奈米鐵粉及鈀化奈米鐵粉均屬於結晶性不佳之固體,藉此得以瞭解奈米鐵粉及鈀化奈米鐵粉之基本性質。
本研究進一步利用C、D、E三種陰離子分散劑對奈米鐵進行沈降試驗。由實驗結果得知,於合成過程中添加1%之分散劑E,可有效地將水溶液中的奈米鐵分散;此外,發現在添加分散劑E後,調整pH值於酸性條件(pH=2.99)時,水溶液會產生沈澱物。
對於去除水體中三氯乙烯降解之影響,利用批次實驗探討各變因(包括:鈀添加劑量、pH值、三氯乙烯初始濃度、震盪強度) 對於三氯乙烯降解之影響。經由製備不同類型之奈米鐵懸浮液,檢視其對三氯乙烯的降解成效,實驗結果發現,降解效率由大而小分別為:(鈀化奈米鐵+分散劑)> 鈀化奈米鐵> 奈米鐵> (奈米鐵+分散劑);其中,(奈米鐵+分散劑)組之降解情形則與空白組相近。經不同鈀添加量對反應速率常數作圖發現,隨著鈀添加量由0.05%增至0.1%,反應速率常數呈線性增加;隨pH值上升,TCE降解效率也隨之提升,不同初始pH對反應速率常數作圖發現,隨著pH值上升,反應速率常數呈指數型態遞增。比較靜置與水平震盪200 rpm在室溫下降解三氯乙烯的效率,顯示(鈀化奈米鐵+分散劑)組對水體中的三氯乙烯降解在定時(150分鐘)的批次實驗結束後,並不受外加動力的影響。
本研究更進一步利用鈀化奈米鐵懸浮液-電動力法組合技術處理土壤管柱系統中的三氯乙烯(160~181 mg/kg)。採用電位梯度為1 V/cm,每天注入定量鈀化奈米鐵懸浮液20 mL(濃度為2.5 g/L)於選定之電極槽內,其中,鈀化奈米鐵粉用量為0.04%(相對於土壤之重量);實驗結果顯示,將上述懸浮液注入陽極槽之實驗組土壤中三氯乙烯殘存率僅7.56%,而添加適量鈀化奈米鐵懸浮液於陰極槽則有助於從土體中移出至陰極槽的三氯乙烯之破壞降解。由上述實驗結果可知,本研究所採用之創新處理技術可有效處理受三氯乙烯污染之土壤。
Abstract
The objective of this research was to evaluate the treatment efficiency of a trichloroethylene (TCE) contaminated soil by combined technologies of the suspension of palladized nanoiron and electrokinetic remediation process. First, nanoiron and palladized nanoiron were prepared using the chemical reduction method. Then they were characterized by various methods. Micrographs of scanning electron microscopy have shown that a majority of these nanoparticles were in the range of 50-80 nm. Specific surface areas were determined to be 76.88 m2/g and 100.61 m2/g for the former and latter, respectively. Results of X-ray diffractometry have shown that both types of nanoiron were poor in crystallinity.

Three anionic dispersants were employed for evaluating their performance in stabilizing various nanoiron. Results have demonstrated that an addition of 1 wt% of Dispersant E during nanoiron preparation would result in a good stabilization of nanoiron. If the system pH was adjusted to 2.99, nanoparticles would settle rapidly.

Batch tests were carried out to investigate the effects of various operating parameters on degradation of TCE in aqueous solutions. Experimental results have indicated that palladized nanoiron outperformed nanoiron in treatment of TCE in this study. The employment of Dispersant E would enhance the treatment efficiency further. Test results also showed that a linear increase of reaction rate constant was found with an increasing dose of palladium from 0.05 wt% to 1 wt% based on the mass of nanoiron. Further, an exponential increase of reaction rate constant would be obtained with an increasing pH. As for mixing intensity, it was found to be insignificant to the treatment efficiency of TCE in aqueous solutions.

The final stage of this study was to evaluate the treatment efficiency of combined technologies of the suspension of palladized nanoiron and electrokinetic remediation process in treating a TCE-contaminated soil. Test conditions used were given as follows: (1) initial TCE concentration: 160-181 mg/kg; (2) electric potential gradient: 1 V/cm; (3) daily addition of 20 mL of suspension of palladized nanoiron (2.5 g/L) to the electrode reservoir; and (4) reaction time: 6 days. Test results have shown that addition of palladized iron suspension to the cathode reservoir yielded the lowest residual TCE concentration in soil. Namely, about 92.5% removal of TCE from soil. On the other hand, addition of palladized iron suspension to the anode reservoir would enhance the degradation of TCE therein. Based on the above findings, the treatment method employed in this work was proven to be a novel and efficient one in treating TCE-contaminated soil.
目次 Table of Contents
目錄
頁碼
聲明切結書 ………………………………………………………….………..i

謝誌 ………………………………………………………….……….............ii

摘要 ……………………………………………………………….…………iii
Abstract ………………………………………………………….…….……...iv
目錄 …………………………………………………………………………..v

表目錄 ……………………………………………………………….….…...ix
圖目錄 ………………………………………………………………….….....x

照片目錄 …………………………………………………………………....xii

第一章 前言 ……………………..……..…….….………………….…..1
1.1 研究緣起 ………………..………….……….….………………1
1.2 研究目的 ……………………….……….……..….…….…..….2
1.3 研究內容 ……………………………...…….…….……………3
第二章 文獻回顧 ……………..…………….………..…………………5
2.1 三氯乙烯特性及對人體的危害 ……………….…………...….5
2.2 土壤及地下水有機污染整治相關技術 …………………….…9
2.3 零價鐵 .………………..……………….………………..….…13
2.3.1 零價鐵去除污染物之反應機制 ………….………..…..13
2.3.2 零價鐵去除污染物之反應動力 ……………………….15
2.3.3 三氯乙烯之脫氯反應途徑 …………………………….16
2.3.4 影響零價鐵脫氯效率相關因子 ……………………….19
2.4 零價鐵暨奈米級零價鐵污染整治應用 ………………..….....22
2.4.1 奈米材料基本特性 ……………..……….....…………..22
2.4.2 合成奈米金屬材料相關技術 ….....………….…….......23
2.4.3 奈米金屬材料分散性能探討 ……….…….……...........23
2.4.4 零價鐵暨奈米零價鐵整治污染物相關研究 …….……25
2.5 雙金屬暨鈀化奈米鐵整治污染物 …….……….….…………31
2.5.1 鈀化奈米鐵之組成結構與製備方式 …….…..….…….31
2.5.2 鈀觸媒催化反應探討 …………….…..…….…..….…..33
2.5.3 鈀觸媒的活性衰退 …………………….…..……….….33
2.5.4 雙金屬暨鈀化奈米鐵整治污染物相關研究..………….34
2.6 實場應用奈米零價鐵技術整治含氯有機物研究案例 ….…..42
2.7 電動力法 ……......…...............…………..……...……....…….44
2.7.1 電動力法之傳輸與相關機制 …..………...……....……44
2.7.2 影響電動力法整治效率相關因子 ………..……...……47
2.7.3 電動力法整治污染物相關研究 ……………..…….…..49
第三章 實驗材料與方法 ………...........................................................54
3.1 實驗材料 ...……….……..…….................................................54
3.1.1 奈米鐵與鈀化奈米鐵製備 ………….............................54
3.1.2 土壤樣品來源與前處理 .……………............................54
3.1.3 其他試藥及材料 .....…….……………...........................55
3.2 實驗設備 …………………………………...............................56
3.2.1 鈀化奈米鐵懸浮液-電動力法組合技術管柱處理
系統 .…...……………........…….....……………............56
3.2.2 其他儀器 ……………………..…..….............................59
3.3 研究架構 …………………………..….........…........................60
3.4 奈米鐵及鈀化奈米鐵基本特性分析 …..….........…........…....62
3.4.1 掃描式電子顯微鏡與穿透式電子顯微鏡
粒徑觀測 ………...........…..........….............……............62
3.4.2 比表面積測定 ………..……...........................................62
3.4.3 X-光繞射分析 …….…..….………….………………....63
3.4.4 掃描式電子顯微鏡-能量分散光譜儀與
能量分佈面掃描分析 …..…..…......….….......….….......63
3.4.5 X-光光電子能譜分析 ……..…….…..…..…….…….…64
3.5 奈米鐵懸浮液分散性質探討 ……………..…………...…..…65
3.5.1 沈降實驗 …….…...….…………………...….…………65
3.5.2 界達電位量測 ………...……….………..…....….…......66
3.5.3 雷射動態光散射 ………….……. ……...….....……......66
3.6 奈米鐵及鈀化奈米鐵懸浮液去除水體中之三氯乙烯
批次實驗 ……………………………………………………...67
3.6.1 三氯乙烯水溶液批次試驗相關分析與試樣配製 …….67
3.7 鈀化奈米鐵懸浮液─電動力法去除土壤中三氯乙烯試驗 …70
3.7.1 土壤樣品基本性質分析 …………………………….....70
3.7.1.1 粒徑分佈 ……………………………………....70
3.7.1.2 比重 …………………………………………....71
3.7.1.3 pH值 …………………………………………..72
3.7.1.4 含水份 …………....……………………………73
3.7.1.5 有機物質含量 …………………………………74
3.7.1.6 灼燒減量 ………………………………………74
3.7.1.7 陽離子交換容量 ………………………………74
3.7.1.8 比表面積 ………………………………………75
3.7.1.9 土壤中鐵含量 …………………………………75
3.7.2 人工污染土製備與管柱裝填 ………….....……………76
3.7.3 土樣分析項目 …………….………………..…………..77
3.7.4 反應過程分析 …….…………….……….….…….……78
3.7.5 鈀化奈米鐵懸浮液最適注入位置探討…….….……….79
第四章 結果與討論 ……………….………………………..…....……80
4.1 奈米鐵及鈀化奈米鐵基本性質分析 …………………….…..80
4.1.1 顆粒形態及粒徑觀測 ……………………….…………80
4.1.2 比表面積測定 …………….………….………………...83
4.1.3 X-光繞射分析 ……………….………..…....…....…..…85
4.1.4 掃描式電子顯微鏡-能量分散光譜儀與
能量分佈面掃描分析 ………………………………......87
4.1.5 X-光光電子能譜分析 …………………………….…....90
4.2 奈米鐵懸浮液分散性質探討 ……..………..…..………….....91
4.2.1 沈降實驗 ……………………..…………………….......91
4.2.2 界達電位量測 …………………………………….…....94
4.2.3 雷射動態光散射 …..……………….…………………..97
4.3 奈米鐵及鈀化奈米鐵懸浮液去除水體中之三氯乙烯
批次實驗 ....…………….………………………………..…....99
4.3.1 前導實驗─合成鈀化奈米鐵濾液之影響 …………......99
4.3.2 不同操作變因對降解三氯乙烯之影響 ….…………..100
4.3.3 不同操作條件下之反應動力 …….……………..……111
4.3.3.1 鈀含量與反應速率常數的關係 ………..…....111
4.3.3.2 pH值與反應速率常數的關係 …..……..…....113
4.4 鈀化奈米鐵懸浮液─電動力法去除土壤中之三氯乙烯 …..116
4.4.1 土壤樣品基本性質分析 ……..……..…...…....…...….116
4.4.2 標的污染物 …………..……..…...…....….......…..…...118
4.4.3 鈀化奈米鐵懸浮液最適注入位置探討 ………….......119
4.4.4 鈀化奈米鐵懸浮液─電動力法處理土體中三氯乙烯操作費用評估 …………..……..…...…....….......……...…..127
第五章 結論與建議 …….………………………....…………………128
5.1 結論 …….………………………....…………………………128
5.2 建議 …….………………………....…………………………131
參考文獻 …………..…..…………………………………………….….....132
附錄 ………………………………………………………………….….....145







表目錄
頁碼
表2-1 含氯有機物與乙炔、乙烯、乙烷基本物化特性 ………….……..6
表2-2 三氯乙烯毒性資料 ..………….………………...………..……..….8
表2-3 三氯乙烯對於人體之健康危害效應 ………...………….…….......8
表2-4 我國氯化碳氫化合物於土壤及地下水污染管制標準值 ...……....9
表2-5 整治受有機物污染之土壤及地下水處理技術 …..…....…….......11
表2-6 奈米零價鐵可應用處理的污染物種類 ……...…….…....….........26
表2-7 零價鐵暨奈米零價鐵整治污染物之相關研究 ………...……......27
表2-8 雙金屬暨鈀化奈米鐵整治污染物之相關研究 ……………….....36
表2-9 電動力法整治污染物之相關研究 …….……………...……..…...50
表3-1 沈降實驗計畫表 ……………………………...……....………..…65
表3-2 奈米鐵與鈀化奈米鐵懸浮液去除水體中三氯乙烯實驗計畫表 .68
表3-3 不同溫度下的水之相對密度及校正因子K值 ……..……….….72
表4-1 奈米鐵及鈀化奈米鐵顆粒之比表面積、孔隙體積及平均孔徑 .83
表4-2 國內外相關研究零價金屬及雙金屬之比表面積 ……………….84
表4-3 分散劑添加量及系統pH值對奈米鐵粉穩定性的影響 ……..….93
表4-4 不同鈀對鐵添加劑量(0.05~0.1wt%)之擬一階反應速率常數ks
與TCE半衰期(t1/2) ……..……………………………………......112
表4-5 不同pH值之擬一階反應速率常數ks與TCE半衰期(t1/2) …….114
表4-6 雙金屬暨鈀化奈米鐵降解水體中三氯乙烯效率相關研究 ....…115
表4-7 土壤基本性質 …..…………..…………………………………....117
表4-8 Test 1至Test 4之電滲透係數(Ke) ……………………………....120
表4-9 土體中三氯乙烯殘存率比較 ….…………………………….......124
表4-10 鈀化奈米鐵懸浮液─電動力法組合技術操作費用 ….…………127


圖目錄
頁碼
圖2-1 Fe0- H2O系統中,Fe0還原脫氯的三種模式 …………….….….14
圖2-2 三氯乙烯經零價鐵脫氯反應途徑 ……………..……………......18
圖2-3 零價鐵與含氯有機物反應之電位與pH值關係圖 ……………..21
圖2-4 添加界面活性劑驅使團聚顆粒分散 …………………………....25
圖2-5 電雙層之靜電斥力驅使團聚顆粒分散 …………...….....….…...25
圖2-6 雙金屬組成的不同形態 .…….……..………………...….....…....31
圖2-7 鈀化奈米鐵模型 ………….…….……..…………...………….....32
圖2-8 現地注入鈀化奈米鐵懸浮液示意圖 ………………...……...…..43
圖2-9 電動力法原理示意圖 …………….……………...……...….........45
圖3-1 鈀化奈米鐵懸浮液-電動力法組合技術管柱試驗系統示意圖 ...58
圖3-2 研究架構流程圖 ...………...…………….....…...….......…...........61
圖4-1 奈米鐵與鈀化奈米鐵X-光繞射分析圖譜 .………...........…...…86
圖4-2 奈米鐵及鈀化奈米鐵之SEM- EDS分析 ……...........…….........88
圖4-3 EDS- Mapping觀測鈀化奈米鐵之鐵、鈀含量分佈 …………...89
圖4-4 奈米鐵表面寬掃描(Survey)圖譜 ….....….........…….........….......90
圖4-5 奈米鐵表面主能階(Fe 2p3/2)圖譜 ……..….…....….........…….....90
圖4-6 奈米鐵與鈀化奈米鐵懸浮液之界達電位隨pH值變化圖 …….95
圖4-7 分散劑添加與否對於奈米鐵粒子其界達電位之影響 ......……..96
圖4-8 分散劑E添加劑量大小對於奈米鐵粒子其界達電位之影響 ....96
圖4-9 未加分散劑之鐵粒徑分佈 …………………...….…....…............98
圖4-10 加入分散劑之奈米鐵粒徑分佈 …………………...…...…..........98
圖4-11 濾液與鈀化奈米鐵懸浮液降解三氯乙烯比較 ….……….....…100
圖4-12 不同類型奈米級金屬懸浮液對於三氯乙烯之降解成效比較 ..101
圖4-13 不同鈀劑量(相對於鐵重量)下之三氯乙烯降解成效比較 .......102
圖4-14 三氯乙烯降解濃度、pH值與時間關係圖初始(pH值=3) …....104
圖4-15 三氯乙烯降解濃度、pH值與時間關係圖初始(pH值=5) ...….104
圖4-16 三氯乙烯降解濃度、pH值與時間關係圖初始(pH值=7) ……105
圖4-17 三氯乙烯降解濃度、pH值與時間關係圖初始(pH值=11) ......105
圖4-18
鈀化奈米鐵在不同初始pH值下對於三氯乙烯之降解
成效比較 ….………..………………………………..…..……...106
圖4-19 三氯乙烯初始濃度為2 mg/L;添加分散劑與否對三氯乙烯
降解之影響(〔TCE〕=2 mg/L) ......…………………………..107
圖4-20 三氯乙烯初始濃度為5 mg/L;添加分散劑與否對三氯乙烯
降解之影響(〔TCE〕=5 mg/L) ……..…………………….....…107
圖4-21 三氯乙烯初始濃度為10 mg/L;添加分散劑與否對三氯乙烯
降解之影響(〔TCE〕=10 mg/L) ……………………………......109
圖4-22
不同初始濃度及添加分散劑與否對三氯乙烯降解成效
之影響 .………………………………………………………......109
圖4-23 鈀化奈米鐵在添加分散劑與否及不同震盪速率下之三氯乙烯
降解成效比較 .………………………………………………….110
圖4-24 不同鈀相對鐵添加劑量下ln (C/C0)對時間作圖 .………….….112
圖4-25 相對於鐵重量之鈀劑量與擬一階反應速率常數Ks關係圖 ….112
圖4-26 不同鈀相對鐵添加劑量下ln (C/C0)對時間作圖 .……………..113
圖4-27 不同pH值與擬一階反應速率常數Ks關係圖 .……………….114
圖4-28 美國農業部(USDA)土壤質地分類圖 ……………….…………116
圖4-29
未經鈀化奈米鐵懸浮液─電動力法組合技術處理
之三氯乙烯污染土壤GC/μECD圖譜 ……………….……..….118
圖4-30
經鈀化奈米鐵懸浮液─電動力法組合技術處理
之三氯乙烯污染土壤GC/μECD圖譜 ……………….……..….118
圖4-31 陽、陰極槽液pH值隨處理時間變化圖 ……………….….…..121
圖4-32 陰極槽累積電滲透流流量隨處理時間變化圖 ………………..121
圖4-33 操作電流隨處理時間變化圖 ………………..……………...….123
圖4-34 陰極槽內三氯乙烯含量隨處理時間變化圖 ………………..…123
圖4-35 反應後土壤管柱內殘餘之三氯乙烯含量分佈圖 …………......124
圖4-36 反應後土壤管柱內部之pH值分佈圖 …………....…..…….…126
圖4-37 經鈀化奈米鐵懸浮液-電動力技術處理後之總鐵含量分佈圖 .126

照片目錄
頁碼
照片3-1 鈀化奈米鐵懸浮液-電動力法組合技術管柱試驗系統 ……….58
照片4-1 合成之奈米鐵SEM影像(放大50,000倍) …………………….81
照片4-2 合成之鈀化奈米鐵SEM影像(放大85,000倍) ……………….81
照片4-3 合成之奈米鐵TEM影像(放大620,000倍) …………………...82
照片4-4 合成之鈀化奈米鐵TEM影像(放大510,000倍) ……………...82
照片4-5 左為序號7加酸沈降;右為序號8加鹼分散 …………….….93
照片4-6 左為序號12緩慢分散;其餘兩組仍產生沈降 ………….…...93
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