基于ZVI/Fe3O4/AC的可渗透反应墙耦合电动力系统强化去除水中的磷和Cr(Ⅵ)

作     者：曹若琳 

作者单位：河南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：皮运清;韩全州

授予年度：2021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：机械球磨 ZVI/Fe3O4/AC复合材料 微电解 协同体系 除磷 六价铬 

摘      要：随着人类对水体富营养化和重金属污染等环境问题的关注,寻求高效、低廉的环境功能性材料倍受国内外研究者的关注。零价铁(zero-valent iron,ZVI)因其颗粒小、比表面积大和反应活性高等特性而被广泛应用于环境污染物的修复。然而,由于零价铁易钝化、易团聚的特点,其在实际中的应用往往受到限制。为了解决这一问题,本文采用球磨-煅烧法制备ZVI/FeO/活性炭(activated carbon,AC)复合材料作为可渗透反应墙(permeation reaction barrier,PRB)反应器的填充介质,并耦合电动力系统建立PRB-电动力系统(electrokinetics,EK)的协同体系以高效去除废水中的磷和六价铬(Cr(Ⅵ))。通过静态批次实验对反应的影响因素进行了探讨,并将优化后的条件应用于PRB-EK连续流动柱实验。用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM-EDS)、和X射线光电子能谱(XPS)等手段对复合材料及反应产物进行了表征和分析,以探究该协同体系强化磷和Cr(Ⅵ)去除的反应机理,并对其长期运行的堵塞再生情况及对环境的安全性进行综合考量,主要研究结果如下:对于磷的去除:(1)铁碳质量比为2:1、煅烧温度为300°C时制备的ZVI/FeO/AC对磷的去除效率最高;当投加量为1.0 g/L、初始浓度为20 mg/L时,去除效率高达99.6%。(2)随着溶液p H值的降低,铁碳原电池反应逐渐增强,使得Fe/Fe离子化学沉淀除磷过程得到有效增强。(3)HCO的存在对磷酸盐的去除产生负面影响;而Cl以及腐殖酸表现出促进作用。(4)将颗粒化后的材料填充PRB反应柱,极大地延缓了流动柱的堵塞情况,在对氮磷去除的长期运行过程中,磷的去除效率总体保持在较高水平,对NO-N的去除效率则不明显。(5)通过表征结果分析可知,反应产物以Fe PO沉淀为主,ZVI/FeO/AC-PRB-EK连续流动柱对磷的去除机理主要包括微电解、吸附和共沉淀。对于Cr(Ⅵ)的去除:(1)pH值对Cr(Ⅵ)的去除率影响较大,当p H值从3上升到11时,Cr(Ⅵ)的去除率急剧下降了73%,说明在酸性条件下ZVI/FeO/AC对Cr(Ⅵ)的还原效率较高。(2)通过AC、ZVI/FeO、ZVI/FeO&AC和ZVI/FeO/AC等不同填料对Cr(Ⅵ)去除效果的比较,发现Cr(Ⅵ)的去除效率与Fe溶出量成正比,ZVI/FeO/AC-PRB-EK协同系统在参与Cr(Ⅵ)的还原过程中,维持了活性物质Fe的持续释放,复合材料中FeO表面的氧化还原位点有利于电子的传输,可实现Fe和Fe的反应循环;且外加电场的存在为电子的连续转移提供了有利的环境,体系的协同效应共同维持Cr(Ⅵ)还原反应的进行。(3)采用逐级提取程序分析PRB填料长期运行后反应产物,发现铬主要以残渣态存在,其只能在强氧化或强酸性环境中浸出,环境风险较低,保证了系统的相对安全性。