镁氨基粘土(MgAC)包覆纳米零价铁(nZVI)去除废水中Cr(Ⅵ)

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重金属废水的排放对人类健康和环境造成了严重影响,水体中的重金属污染现已成为环境领域的热点问题。铬(Cr)是废水中常见的重金属污染物,其主要存在于金属酸洗、制革、镀铬及纺织品生产等工业行业的排水中。纳米零价铁(nZVI)作为强还原剂,具有粒径小、比表面积大、还原性强等特点,近年来被广泛用于含Cr废水的治理。但在应用过程中,nZVI存在易团聚、易氧化的问题,会降低其表面反应活性。针对这些问题,本文采用镁氨基粘土(MgAC)对nZVI进行改性,通过液相还原法制备MgAC-nZVI纳米材料,将其应用于水中Cr(Ⅵ)的去除。主要研究成果如下:优化MgAC-nZVI材料的制备条件,考察其对Cr(Ⅵ)的去除性能,并对材料进行表征。实验发现,当MgAC与nZVI的质量配比为0.15:1时,在样品投加量为0.2 g L-1、温度30 ℃、pH=5、Cr(Ⅵ)初始浓度为20 mg L-1的条件下,MgAC-nZVI去除Cr(Ⅵ)的效率最高。采用XRD、FTIR、TEM、UV-VIS和Zeta电位分析等方法对制得的MgAC-nZVI材料进行表征,证实MgAC对nZVI实现了成功的包覆,且在相同的溶液pH下,MgAC-nZVI表面的Zeta电位均高于nZVI,显著提升了nZVI的分散性和稳定性。随后,将制得的MgAC-nZVI材料用于去除模拟废水中的Cr(Ⅵ),考察MgAC-nZVI投加量、温度、初始pH及Cr(Ⅵ)初始浓度等因素对MgAC-nZVI去除Cr(Ⅵ)的影响,优化了其最佳实验条件。当MgAC-nZVI投加量为0.125 g L-1、温度为30 ℃、pH=5、Cr(Ⅵ)初始浓度为20 mg L-1时,反应3 min后Cr(Ⅵ)的去除率达到100%。此外,考察了不同阳离子、阴离子及有机物等废水中常见的共存物对MgAC-nZVI去除Cr(Ⅵ)的影响。结果表明,Cu2+、Ni2+和Zn2+均对MgAC-nZVI去除Cr(Ⅵ)有明显促进作用;SO42-、NO3-、C2O42-和CH3COO-虽可促进nZVI的腐蚀,提高去除率,但同时与Cr(Ⅵ)存在竞争吸附,因此对MgAC-nZVI去除Cr(Ⅵ)的促进作用较小;PO43-、HA与Cr(Ⅵ)仅存在竞争吸附作用,抑制了Cr(Ⅵ)的去除。除此之外,还考察了MgAC-nZVI的重复利用性,其在多次循环利用中仍保持良好的去除效率。动力学结果表明MgAC-nZVI和nZVI去除Cr(Ⅵ)反应符合准二级吸附动力学,与nZVI相比,MgAC-nZVI去除Cr(Ⅵ)的吸附速率常数及去除容量有显著提高。MgAC-nZVI对Cr(Ⅵ)的吸附速率常数随着MgAC-nZVI投加量、温度和初始pH的升高而增大,而随Cr(Ⅵ)初始浓度的升高而降低。结合实验结果及表征分析可知,MgAC-nZVI去除Cr(Ⅵ)反应机理主要分为三个阶段:MgAC-nZVI材料从溶液中快速吸附Cr(Ⅵ)至其表面、Cr(Ⅵ)在MgAC-nZVI表面发生化学还原反应形成Cr(Ⅲ)及Cr(Ⅲ)与Fe(Ⅲ)生成CrxFe1-x(OH)3共沉淀物。
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