基于活性炭的高级还原体系构建及去除水中Cr(Ⅵ)污染效能研究

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六价铬主要来源于采矿、制革、水泥、钢铁和其他金属合金生产以及电镀作业等工业所排放的废水中,目前对六价铬废水的处理方法主要分为两大类,一是将Cr(Ⅵ)还原为低毒性的Cr(III),包括化学还原法、电化学法、光化学法和生物修复等;二是通过吸附、絮凝等方法直接去除Cr(Ⅵ)。第一类方法中,化学还原修复因其有很好的效果且反应迅速而得到了广泛的关注,但目前应用的还原剂普遍存在利用率差的劣势。而第二类方法中,活性炭因其廉价易得、操作方便成为了很常见的吸附剂,但其去除过程耗时长,使得去除效率变低。因此,研究成本低效率高的方法对于水中六价铬污染修复具有重大意义。基于一种新型高效的还原剂—二氧化碳离子自由基的新兴与发展,本课题以水中六价铬为目标污染物,以活性炭材料为吸附剂和活化剂,以过硫酸盐和甲酸盐为反应试剂,建立了吸附和还原联合去除水中六价铬的修复技术。实验研究了三种活性炭材料活化过硫酸盐/甲酸盐体系去除水中六价铬的能力,三种活性炭材料分别是:酸洗活性炭(HCl-AC)、纳米活性炭(NAC)和磁性纳米活性炭(NAC-Fe3O4)。结果表明:(1)HCl-AC/PS/FA体系对水中六价铬的去除具有较好的效果,该体系对水中六价铬的去除机制分为两部分,一是HCl-AC对六价铬的吸附,吸附符合Fruendlich等温吸附模型,HCl-AC对六价铬的吸附是不均匀表面的吸附,准二级动力学模型的良好拟合说明HCl-AC对六价铬的吸附过程是化学吸附作用占主导地位;二是HCl-AC活化过硫酸盐产生硫酸根自由基,之后与甲酸盐反应生成二氧化碳离子自由基,最后与六价铬反应,将其还原为三价铬,除此之外,HCl-AC也会吸附溶液中还原产生的三价铬并且吸附在HCl-AC上的六价铬也会有一部分被还原。NAC/PS/FA体系的去除机制与HCl-AC/PS/FA体系相同,在NAC/PS/FA体系中还原作用占主导地位,还原率为73%以上。NAC-Fe3O4/PS/FA体系对水中六价铬的去除具有良好的效果,该体系对水中六价铬的还原机制较前两种体系更为复杂,NAC-Fe3O4中的二价铁离子和三价铁离子也参与反应。(2)对于初始浓度为50 mg·L-1的六价铬,2 g/L的HCl-AC、1 g/L的NAC、1.5 g/L NAC-Fe3O4分别为三种活性炭的最适宜投加量,体系中投加10 mM的PS和10 mM的FA时几乎可以将溶液中的六价铬全部去除。活性炭的投加量越大,去除效果越好;当FA/PS大于等于1且足量时,六价铬能够完全去除;体系初始pH越低,越有利于该体系中六价铬的去除。(3)三种活性炭中,HCl-AC成本最低,对Cr(Ⅵ)的吸附效率最高,且颗粒大易于过滤去除,但体系中的还原效率低;NAC的成本适中,NAC/PS/FA体系对Cr(Ⅵ)的还原效率最高,但因其颗粒较小提高了固液分离的成本;NAC-Fe3O4的制作成本最高,处理效果适中,但便于固液分离以及材料的回收利用;总体看来,三种活性炭对于高级还原体系的构建和Cr(Ⅵ)污染水处理效能有一定的研究意义。
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