基于零价铁(ZVI)技术去除水中六价铬(Cr(Ⅵ))和三价锑(Sb(Ⅲ))的机理研究

摘要

重金属废水的排放已经给环境和人体健康造成了严重威胁，重金属污染问题目前已成为环境领域的热点和难点问题。其中铬(Cr)和锑(Sb)被广泛应用于国民经济的各个领域，其开采、冶炼和加工已经导致了严重的水污染。近二十年来，零价铁(zero-valent iron，ZVI)被广泛应用于修复地下水或者去除含各种有机无机污染物的工业废水。但ZVI的应用仍然存在一些技术上的缺陷，其中包括:铁粉表面带有生产过程中产生的钝化层，反应活性较低;有效pH范围窄;且随着反应时间的推移，生成的金属铁氧化物和碳酸盐覆盖在ZVI表面造成钝化，反应活性降低;对某些难降解污染物的处理效果较差，该技术仍然存在需要改进的地方。为此，本文分别采用活性炭负载纳米零价铁(NZVI/AC)技术以及弱磁场(WMF)与ZVI联用技术分别去除水中Cr(Ⅵ)和Sb(Ⅲ)。具体如下:
　　(1)对NZVI/AC去除水中Cr(Ⅵ)考察了ZVI负载量、NZVI/AC投加量、溶液初始pH、反应温度以及Cr(Ⅵ)初始浓度等各种影响因素对处理效果的影响，探讨了NZVI/AC去除水中Cr(Ⅵ)的作用机理。实验结果表明:
　　NZVI/AC能够高效去除水中的Cr(Ⅵ)，其机理为吸附、还原和共沉。将NZVI负载在AC上，可以减少铁颗粒的团聚，提高材料的比表面积，从而提高NZVI的性能。NZVI负载量对去除效果有一定的影响，负载量为25％时去除效果最好，去除率达90％以上;溶液初始pH对NZVI/AC去除水中Cr(Ⅵ)的影响最为显著，在pH=3.0-9.0范围内，Cr(Ⅵ)的去除率随溶液初始pH值的升高而下降;升高温度有利于反应的进行;Cr(Ⅵ)浓度的增加不利于反应的进行;在不同反应温度和不同Cr(Ⅵ)浓度下，NZVI/AC去除水中Cr(Ⅵ)的反应符合伪一级动力学模型;反应后溶液中基本无Cr(Ⅲ)和铁离子，不会造成二次污染。
　　(2)用WMF辅助ZVI去除水中Sb(Ⅲ)，研究了在不同pH条件下、不同初始Sb(Ⅲ)浓度下以及一些阴离子存在时WMF对ZVI去除Sb(Ⅲ)的影响，并对反应后的材料进行了XAFS表征。实验结果表明:
　　WMF辅助ZVI去除水中Sb(Ⅲ)时，大部分的Sb(Ⅲ)被氧化为Sb(Ⅴ)。在较宽的pH范围内和较高的初始Sb(Ⅲ)浓度下，磁场都能显著加速ZVI去除水中Sb(Ⅲ)。ZVI对Sb(Ⅲ)的去除受ZVI腐蚀速度的影响，与溶解在溶液中的Fe2+浓度和溶液的pH密切相关，WMF的引入极大地促进了ZVI的腐蚀速率。硝酸根和氯离子对ZVI去除Sb(Ⅲ)几本上没有影响，亚砷酸盐、磷酸盐和硅酸盐在一定程度上，降低了Sb(Ⅲ)的去除效率。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 含Cr废水的性质和处理方法

1．2．1 含Cr废水的来源与危害

1．2．2 含Cr废水的处理方法

1．3 含Sb废水的性质和处理方法

1．3．1 含Sb废水的来源与危害

1．3．2 含Sb废水的处理方法

1．4 零价铁(ZVI)在水处理中的应用

1．4．1 ZVI的性质以及去除污染物的机理

1．4．2 ZVI在水处理中的应用

1．4．3 ZVI去除污染物的缺陷及改进方法

1．5 研究目的和内容

第二章 实验材料和方法

2．1 实验药品与试剂

2．2 主要仪器

2．3 实验设计和方法

2．3．1 NZVI／AC去除水中Cr(Ⅵ)的研究方法

2．3．2 WMF对ZVI去除水中Sb(Ⅲ)的去除性能的影响

2．4 测试分析方法

2．4．1 Cr和铁浓度的测定

2．4．2 锑和铁浓度的测定

2．4．4 X射线吸收精细结构光谱(XAFS)分析

2．4．5 透射电镜(TEM)

2．4．6 X射线衍射(XRD)

2．4．7 比表面积

2．4．8 Zeta电位的测定

第三章 活性炭负载纳米零价铁技术去除Cr(Ⅵ)的研究

3．1 材料的制备与表征

3．1．1 材料的制备

3．1．2 材料的测试与表征

3．2 Cr(Ⅵ)去除实验的研究

3．2．1 反应条件对Cr(Ⅵ)去除效果的影响

3．2．2 吸附动力学研究

3．2．3 溶液中的总Cr和总Fe

3．3 本章小结

第四章 WMF对ZVI去除水中Sb(Ⅲ)的去除性能的影响

4．1 操作条件对ZVI去除水中Sb(Ⅲ)的影响

4．1．1 在不同pH下WMF对ZVI除Sb(Ⅲ)的影响实验

4．1．2 在不同初始浓度下WMF对ZVI除Sb(Ⅲ)的影响实验

4．1．3 共存离子对在WMF中ZVI除Sb(Ⅲ)的影响

4．2 WMF对腐蚀产物中Sb的价态影响

4．2．1 不同初始pH下腐蚀产物中Sb的价态分析

4．2．2 不同阴离子存在时腐蚀产物中Sb的价态分析

4．3 小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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