氧化剂活化零价铁去除水中磷酸盐和六价铬

作     者：曾威龙 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴锦华;姜元臻

授予年度：2022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：零价铁 氧化剂 磷酸盐 六价铬 

摘      要：近年来,随着工业化的快速推进,地表水污染状况日益严峻。水中磷等元素引发的水体富营养化现象及六价铬等重金属污染事件时有发生,对水生生态及人类饮用水安全构成严重威胁。零价铁(ZVI)因廉价易得、环境友好和化学性质活泼等特点,被广泛用于去除水中污染物。但由于其固有的钝化层和使用中沉淀的生成,导致其对磷酸根和六价铬的去除能力很弱。因此,尝试在零价铁去除水中磷酸盐或六价铬时,使用氧化剂刺破零价铁表面钝化层以提高其自身的腐蚀程度和去除磷酸盐及六价铬的能力。氧化剂活化零价铁处理水中磷酸盐实验结果显示,在氧化剂的作用下,ZVI表面发生更加激烈的腐蚀,促进更多的铁离子和铁活性矿物的生成,为PO的去除提供了大量反应/吸附位点。因此,对比单独ZVI体系(29%),氧化剂/ZVI体系(HO:Na Cl O:NaSO=33.2%:54%:67.1%)对磷酸盐的去除效果有所提升。但又由于各氧化剂自身性质和促进铁腐蚀机理差异,提升效果也有差别。HO在一定程度上能促进零价铁的腐蚀,但也存在氧化腐蚀过程中溶液p H升高的问题,导致HO/ZVI体系对磷酸盐去除性能提升有限,仅提高了12.9%。Na Cl O与ZVI之间的腐蚀反应耗H量更少,且反应产物Cl的点蚀作用可以刺破ZVI表面钝化层。因此,Na Cl O/ZVI体系对磷酸盐的去除效果提升了83.7%。在NaSO/ZVI体系中,NaSO参与的氧化腐蚀过程不消耗H且具有更强的氧化性,对比单独ZVI体系提高了130%。此外,适当增加氧化剂浓度可以提高磷酸盐的去除效果。五次循环实验表明,氧化剂/ZVI体系具有更高的去除能力和稳定性。在模拟淋柱实验中,Na Cl O/ZVI体系反应柱对磷酸盐的去除能力和使用寿命比ZVI单独体系反应柱提升了9.6倍和3.2倍。单独零价铁体系对Cr(Ⅵ)的去除率仅为9.8%,而添加氧化剂后,零价铁快速溶解并释放Fe/Fe,加速了Cr(Ⅵ)的还原转化及促进更多活性铁矿物的生成,为Cr(Ⅵ)的吸附、还原及沉淀提供大量活性位点。因此,氧化剂/ZVI体系对Cr(Ⅵ)的去除效果得到大幅提升,相比于单独ZVI体系,KMn O/ZVI、Na Cl O/ZVI和NaSO/ZVI体系(KMn O:Na Cl O:NaSO=31.5%:52.8%:65.9%)对Cr(Ⅵ)的去除效果分别提高了3.5、5.4和6.8倍,且去除效果随氧化剂浓度的增加而提升。五次循环实验中,到第四个周期结束后单独零价铁体系对Cr(Ⅵ)的去除率降到了1.56%,而氧化剂/ZVI体系在第五个周期对Cr(Ⅵ)仍具有较高的去除率,分别为19.4%,37.4%,44.9%。在模拟淋柱实验中,单独ZVI体系反应柱在400 PV处达到吸附饱和点,Cr(Ⅵ)去除能力仅为0.4 mg/g。而Na Cl O/ZVI体系反应柱,最终在4800 PV处达到饱和点,Cr(Ⅵ)去除能力为13.7 mg/g,是单独ZVI体系反应柱的36倍,具有更高的去除能力和更长的使用寿命。综上所述,氧化剂活化零价铁处理体系可以在一定程度上克服单独零价铁处理体系表面快速钝化的问题,从而提高对磷酸根和六价铬的去除及固定能力,为传统零价铁技术的改进提供了新途径。