水体中共存六价铬与对氯苯酚的nZVI还原-Fenton协同去除机理研究

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废水中有机物与重金属共存的情况较为普遍,而六价铬(Cr(Ⅵ))与对氯苯酚(4-CP)是两种常见的污染物,它们也常共存于制革等工业废水中。纳米零价铁(nZVI)作为近年来倍受关注的纳米材料,已被用于重金属和有机物等多种废水的处理,然而基于nZVI在同一个系统去除水体中共存Cr(Ⅵ)和4-CP的研究鲜有报道。本文采用液相还原法合成了nZVI,对其形貌及物化性质进行了表征;提出了协同去除共存Cr(Ⅵ)和4-CP的“nZVI还原-Fenton”方法,取得了很好的去除效果;分析了pH、nZVI投加量、H2O2投加量以及共存离子强度等因素的影响,并初步探讨了反应机理。  “nZVI还原-Fenton”法,具体过程分为两个阶段:合成的nZVI首先与Cr(Ⅵ)进行还原反应,将Cr(Ⅵ)转变成毒性较低的Cr(Ⅲ),同时大部分产生的Cr(Ⅲ)通过与Fe(Ⅲ)的络合沉淀作用被去除;待Cr(Ⅵ)全部被去除后,向系统中加入一定量H2O2,利用溶液中剩余的Fe(Ⅱ)与H2O2形成Fenton试剂,4-CP得以被氧化降解。采用本方法能够实现Cr(Ⅵ)和4-CP的高效去除。当Cr(Ⅵ)和4-CP的初始浓度分别为10 mg/L和100 mg/L,nZVI和H2O2投加量分别为0.4 g/L和9.79 mM,且pH值为3时,Cr(Ⅵ)可在20 min内被完全去除,总铬的去除率在85%左右;4-CP在10 min内就可以被完全去除,且TOC的去除率接近40%。  反应初始pH值对4-CP的氧化降解起决定性的作用,但对Cr(Ⅵ)的去除影响不大,最佳初始pH值约为3。nZVI投加量在0.1 g/L-1.0 g/L范围内与反应效率呈正相关,H2O2投加量在浓度较低时会促进4-CP的去除,浓度过高时反而会抑制反应。nZVI和H2O2的最佳初始浓度分别为0.4 g/L和9.79 mM。离子强度对该反应有一定的影响。阳离子(Na2+和Ca2+)对Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、总铬及4-CP的降解影响不大,但阴离子(PO43-和SO42-)对以上几种污染物的去除均存在抑制作用。这与离子所带电荷、电量以及离子半径有一定关系,也与有些阴离子会与Fe(Ⅱ)发生反应有关。  对反应前后的固体材料进行SEM/EDS,XRD和XPS表征分析,结果表明,新制备的nZVI是由外部的FeO和FeOOH薄膜及内部的铁单质(Fe0)组成。Cr(Ⅵ)首先直接被nZVI还原,后来主要被生成的Fe(Ⅱ)所还原。还原反应后,Cr(Ⅲ)主要通过与Fe(Ⅲ)结合成复合的氢氧化物和氧化物(FeCr2O4和CrxFe1-x(OH)3)的形式从溶液中沉淀而被去除。还原反应期间产生的Fe(Ⅱ)在后续的Fenton反应中高效降解4-CP发挥了关键作用。Fe(Ⅱ)与加入的H2O2形成Fenton试剂,从而将4-CP氧化降解。4-CP的降解途径主要是4CC(4-氯代邻苯二酚)途径,首先形成4CC,后逐渐断键、开环,形成可生化性强的小分子有机物。  本文提出的“nZVI还原-Fenton”方法具有经济高效、简便易行的特点,对于重金属和有机物复合污染水体的净化提供了新的思路和依据,在应用上具参考价值与潜力。
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