行星球磨改性碳载纳米铁去除水中的Cr(Ⅵ)

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铬(Cr)在电镀、印染、皮革等工业生产中有着广泛的应用,随之而来的是Cr对土壤和地下水资源的污染问题,Cr(Ⅵ)在含铬化合物中的毒性最强,长期接触可能会造成人体畸形或者癌症。纳米零价铁(nano zero valent iron,nZVI)比表面积大,具有较强的还原能力,且绿色无污染,被广泛应用于降解重金属、染料、卤代有机物物等污染物。但单独的nZVI在使用过程中会出现氧化和团聚现象,大大降低了nZVI对污染物的降解效率。为了增强nZVI在使用过程中的抗氧化性和分散性,本文通过行星球磨法和气相还原法制备出活性炭(activated carbon,AC)负载nZVI材料(nZVI-AC),并将其应用于模拟含Cr(Ⅵ)废水中Cr(Ⅵ)的去除。该方法制备的nZVI-AC材料中大部分Fe~0颗粒可以达到纳米级粒度,制备过程绿色无污染,对Cr(Ⅵ)有较强的去除能力。本文通过行星球磨和气相还原相结合,以AC和Fe2O3粉末为原料制备了nZVI-AC。首先研究了nZVI-AC制备的工艺条件,主要包括:球磨时间对Fe2O3粒度的影响、还原温度对nZVI-AC的表面形貌的影响、不同混合方式对负载情况的影响、对nZVI-AC进行了SEM、EDS、XRD等分析检测手段观察材料的表面形貌和元素组成和。然后研究了nZVI-AC对水中Cr(Ⅵ)去除的反应条件,主要包括:不同材料、铁碳比、投加量、pH、反应时间和Cr(Ⅵ)初始浓度对Cr(Ⅵ)去除率的影响。最后分析了反应机理,主要包括:测定了反应过程中的总铁含量和pH的变化、对实验数据进行了准一级、准二级、Elovich动力学拟合、对反应后的nZVI-AC进行了XPS表征,分析了表面的元素与价态分布情况。通过行星球磨方式可以有效的降低Fe2O3的粒度,球磨时间为2 h时最佳,球磨时间过长会造成颗粒变大;随着还原温度的升高,AC表面的nZVI的颗粒发生球化现象,导致粒径逐渐变小,Cr(Ⅵ)去除实验也证明850℃下制备得到的nZVI-AC材料的去除效率最好;对比普通混合方式,球磨混合能够将nZVI牢牢的粘附在AC表面上,形成微电池加速电子转移提高Cr(Ⅵ)的去除效率;XRD表明经过气相还原后Fe2O3已经被成功还原为Fe~0。铁碳比为1:3的nZVI-AC投加量为0.4 g/L时,对20 mg/L的模拟含Cr(Ⅵ)废水在50 min内达到最大去除率为99.5%,去除效率与材料中的Fe含量有关,反应在酸性环境下更容易进行,最适pH为3,较高的Cr(Ⅵ)初始浓度会抑制反应的进行。动力学拟合结果和XPS分析表明该去除过程主要是发生在非均匀表面的化学还原吸附和共沉淀作用以及少量的物理吸附。
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