铁铝双金属去除Cr(Ⅵ)和As(Ⅲ)废水的效能与机理研究

作     者：程梓航 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付丰连

授予年度：2016年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：铁铝双金属 Cr(Ⅵ)废水 As(Ⅲ)废水 去除效能 去除机理 

摘      要：近年来,利用零价铁(ZVI)去除水中污染物的研究取得了很大进展,但使用ZVI存在反应活性低、易失活、适用pH范围小等缺点。为了提高ZVI的活性,通常会把如Pd、Cu、Ni、Ag、Pt和Pb这类金属催化剂掺入ZVI形成活性更大的双金属体系。然而,在这些常作为催化剂掺入ZVI的金属中,Pd、Pt、Ag是贵金属,而Cu、Ni和Pb则是有毒重金属。其高昂的成本和潜在的环境毒性驱使人们寻找一种性价比高而且毒性小的金属替代目前常用的这些金属。本研究通过简单的直接置换反应,把价廉低毒的金属元素铝与铁组成双金属,并利用其去除Cr(VI)和As(III)废水。借助比表面分析仪(BET)、振动样品磁强计(VSM)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM-EDS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等技术对铁铝双金属进行表征。采用批试验法探讨了铁铝质量比、双金属投加量、初始pH等因素对Cr(Ⅵ)和As(Ⅲ)去除的影响,并对铁铝双金属的稳定性进行了评价。通过对比铁铝双金属反应前后的表征结果,提出了铁铝双金属去除Cr(Ⅵ)和As(Ⅲ)的机理。本研究得出的主要结论如下：(1)铁铝双金属是以铝为核心,新生成的细小铁Fe颗粒沉积在铝核表面的铁磁性介孔材料。铁铝双金属颗粒粒径大小为10-20μm,其表面的Fe颗粒粒径为200-400nm。铁铝双金属的铁铝质量比取决于制备时加入的FeSO4溶液的浓度。当质量比高时呈现多孔球状结构,而质量比低时则是实心球状结构。(2)铁铝双金属能在较宽pH范围内高效去除Cr(Ⅵ)废水,当铁铝质量比越大双金属投加量越大且在酸性和中性条件下,Cr(Ⅵ)去除效果越好。对比酸洗前后的ZVI和ZVA1,铁铝双金属具有去除速度快,适用pH范围广等突出优点。铁铝双金属的稳定性较好,在pH值为3.0-7.0的范围下去除Cr(Ⅵ)废水时,溶出的总铁和A13+的浓度很低。在pH为3.0的情况下,铁铝双金属可使用5次保持高去除率,在pH为7.0时只能在前两次保持高去除率,钝化现象明显。(3)所有制备的铁铝双金属在各个pH条件下对As(Ⅲ)的去除效果良好,而且铁铝双金属的稳定性较好,其中在pH值为5.0-9.0的范围下去除As(Ⅲ)溶出的总铁离子和Al3+的浓度最少,并不存在严重的金属离子析出问题。(4)铁铝双金属主要是利用铁和铝之间的原电池效应来促进Cr(Ⅵ)去除,这也是铁铝双金属能在较宽pH范围内快速去除Cr(Ⅵ)的主要原因。在利用铁铝双金属去除Cr(Ⅵ)废水时,水中的Cr(Ⅵ)能从ZVI、零价铝(ZVA1)以及铁和铝之间组成的原电池这三个途径获得还原所需的电子而还原成Cr(Ⅲ),然后再与反应过程中产生的Fe3+、 OH离子结合形成Cr(OH)3沉淀或CrxFe1-x(OH)3共沉淀沉积在双金属表面,实现去除目的。(5)铁铝双金属去除As(Ⅲ)的过程复杂,主要包括颗粒表面吸附与氧化以及颗粒内还原两个阶段。其中,As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的吸附以及As(Ⅲ)的氧化主要发生在颗粒表面,而As(V)和As(Ⅲ)的还原则发生在颗粒内。铁铝双金属同样可通过ZVI、ZVAl以及Fe和Al形成原电池这三个途径提供As(V)和As(Ⅲ)还原所需的电子,最终把As(V)和As(Ⅲ)还原成As(Ⅲ)和As(0)。另外,部分As(0)可以通过扩散作用穿越铁铝氧化层进入双金属颗粒内,导致颗粒内As(0)含量的增加。