秦澤敏,董黎明,劉 平,周戀彤(.北京工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,北京 00048;2.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 00300;3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì),北京 00082)
零價(jià)納米鐵吸附去除水中六價(jià)鉻的研究
秦澤敏1,2,董黎明1*,劉 平3**,周戀彤1(1.北京工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,北京 100048;2.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010300;3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì),北京 100082)
利用液相還原法制備的零價(jià)納米鐵(nZVI)進(jìn)行了去除水中Cr(Ⅵ)的實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明,nZVI對(duì)Cr的去除效果明顯優(yōu)于還原鐵粉和粉末活性碳;pH值越小、初始Cr濃度越低、nZVI放置時(shí)間越短及投加量越大均有利于水中Cr(Ⅵ)的去除,最佳去除率近100%;反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果表明,nZVI去除六價(jià)鉻符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型;反應(yīng)后nZVI顆粒的掃描電鏡及電子能譜結(jié)果顯示Cr占12.02%(wt),結(jié)合對(duì)反應(yīng)溶液中Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)分析,說明吸附、還原與共沉淀可能是nZVI去除水中六價(jià)鉻的主要機(jī)理.
零價(jià)納米鐵;六價(jià)鉻;去除;反應(yīng)動(dòng)力學(xué)
水體中鉻離子主要以三價(jià)鉻和六價(jià)鉻的形式存在,六價(jià)鉻離子尤以毒性高引起人們的關(guān)注,在水中主要以HCrO4-和Cr2O72-兩種形式存在[1].目前國(guó)內(nèi)外常見的鉻廢水處理方法有生物法、電解還原法、膜分離法、吸附法等[2].這些方法均存在一定局限性,生物法易受水中陰陽離子、功能菌還原性的影響;電解法反應(yīng)耗電量大,污泥沉積嚴(yán)重;膜分離法投資大,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高;吸附法對(duì)水量水質(zhì)有較大的抗沖擊能力,但受吸附容量限制.
零價(jià)納米鐵(nZVI)具有粒徑小(50~200nm)、比表面積大(33.5m2/g)兼具還原性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1].將其應(yīng)用于處理TNT[3]、五氯苯酚[4]、三氯甲烷[5]和阿特拉津[6]等有機(jī)物,均取得了 80%以上的去除率,同樣對(duì)Cr(Ⅵ)、Pb(Ⅱ)、Cd等重金屬元素去除也有較多報(bào)道[7-9],但其去除機(jī)理及影響因素研究相對(duì)較少.本研究通過液相還原法合成nZVI,探討了nZVI去除Cr(Ⅵ)的主要影響因素,對(duì)其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及Cr(Ⅵ)去除機(jī)理進(jìn)行了探討.
1.1 材料
實(shí)驗(yàn)用硼氫化鈉(NaBH4)、九水硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)、還原鐵粉(純度>98%,天津化學(xué)試劑三廠)均為分析純,活性炭粉末為山西新華化工廠生產(chǎn).配置六價(jià)鉻溶液所用為重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)品,實(shí)驗(yàn)用水為去離子水.
1.2 nZVI合成
配制 100mL,0.1mol/LFe(NO3)3·9H2O溶液.將100mL,0.4mol/L NaBH4溶液以5mL/min的速度滴入上述 Fe(NO3)3·9H2O溶液中,連續(xù)攪拌10min,保證反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣全部逸散,離心去除上清液,離心速率為6000r/min,用去離子水清洗3次,最后將nZVI溶液濃縮至50mL,則nZVI溶液濃度約為10mg/mL.
1.3 測(cè)定方法
六價(jià)鉻的測(cè)定采用二苯碳酰二肼分光光度法[10].取5mL待測(cè)液體,置于50mL比色管中,將液體稀釋至標(biāo)線,加入 1+1硫酸溶液 0.5mL,1+1磷酸溶液0.5mL,搖勻,加入2mL顯色劑(0.2g二苯碳酰二肼溶于 50mL丙酮中,用水稀釋到100mL制得),搖勻.5~10min后,在波長(zhǎng)540nm處,測(cè)定吸光度.總鉻采用原子吸收光譜法(AAS)測(cè)定.
1.4 實(shí)驗(yàn)方法
在碘量瓶中,放置 200mL Cr(Ⅵ)濃度為50mg/L的溶液,在其中添加 nZVI,投加量為150mg/L,在25℃,100r/min條件下緩慢水浴振蕩,用注射器取樣,通過 0.45μm濾膜后,測(cè)定 Cr(Ⅵ)濃度,溶液的pH值由1%NaOH、1%HCl調(diào)節(jié).
1.5 SEM與EDS分析
用膠頭滴管吸取反應(yīng)前 nZVI溶液,滴加于樣品臺(tái)上,在烘箱內(nèi) 45℃烘干,做為反應(yīng)前 nZVI測(cè)試樣品.將反應(yīng)后溶液離心,離心速率為6000r/min,用膠頭滴管吸取nZVI沉淀,滴加到樣品臺(tái)上,在烘箱內(nèi)45℃烘干,做為反應(yīng)后nZVI測(cè)試樣品.將反應(yīng)前后樣品的表面進(jìn)行噴金后放入樣品倉中進(jìn)行觀察、拍攝照片并做分析.測(cè)試電壓20keV,掃描時(shí)間為10s.
2.1 實(shí)驗(yàn)條件對(duì)Cr6+去除率的影響
2.1.1 不同材料對(duì)Cr6+去除率的影響 在Cr(Ⅵ)溶液中分別投入150mg/L還原鐵粉、nZVI和粉末活性炭,其去除結(jié)果見圖 1.還原鐵粉對(duì) Cr6+的去除率只有 2%,說明還原鐵粉對(duì)于六價(jià)鉻去除非常有限,粉末活性炭對(duì)于六價(jià)鉻的去除率在5%左右,比還原鐵粉的去除率有所提升;nZVI對(duì)于六價(jià)鉻的去除率達(dá)到了 80%以上,比還原鐵粉與粉末活性炭明顯具有更高的去除效率.
圖1 還原鐵粉、活性碳及nZVI對(duì)于Cr6+的去除Fig.1 Removal of Cr6+with iron powder , activated carbon and nZVI
2.1.2 pH值的影響 調(diào)節(jié)六價(jià)鉻溶液pH到3、5、7、10,由圖2可以看出,隨著pH值的升高,nZVI對(duì)于六價(jià)鉻的去除率下降.當(dāng) pH 3時(shí),去除率可以達(dá)到80%,當(dāng)pH 10時(shí),去除率下降到59%.
圖2 pH值對(duì)于nZVI去除Cr6+的影響Fig.2 Effect of pH on the removal of Cr6+with nZVI
在酸性條件下,鐵蝕物的快速產(chǎn)生,會(huì)提高六價(jià)鉻的去除速率,在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生 OH-,OH-與水中 H+結(jié)合,會(huì)降低一部分反應(yīng)產(chǎn)物濃度,導(dǎo)致反應(yīng)速度加快[11].在堿性條件下,氫氧化物會(huì)增多,氫氧化物一方面會(huì)抑制鐵蝕反應(yīng)的進(jìn)行,另一方面會(huì)對(duì)nZVI產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象,阻礙nZVI與六價(jià)鉻的接觸,從而影響鉻鐵共沉淀的形成,導(dǎo)致去除率的降低[12].
2.1.3 nZVI投加量的影響 選取 50,100,150, 250mg/LnZVI分別投加到 Cr(Ⅵ)溶液中.由圖 3可知,溶液中剩余Cr(Ⅵ)濃度隨著nZVI投加量的增加,呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),當(dāng) nZVI投加量達(dá)到250m/L時(shí),溶液中 Cr(Ⅵ)的去除率接近于100%.nZVI投加量的增加,會(huì)導(dǎo)致溶液中 nZVI活性點(diǎn)位的增加,從而有更多的吸附空間用于吸附溶液中的六價(jià)鉻[13].但是隨著 nZVI投加量的增加,單位質(zhì)量 nZVI對(duì)于六價(jià)鉻吸附量會(huì)降低.在nZVI投加量為250mg/L時(shí),nZVI對(duì)于六價(jià)鉻的去除能力為199.4mg Cr(Ⅵ )/g Fe0.在nZVI投加量為150mg/L時(shí),nZVI對(duì)于六價(jià)鉻的去除能力為268.1mg Cr(Ⅵ)/g Fe0.
圖3 nZVI投加量對(duì)于Cr6+去除的影響Fig.3 Effect of nZVI dosage on the removal of Cr6+
2.1.4 初始 Cr6+濃度的影響 由圖 4可知,在Cr(Ⅵ)溶液濃度為10,20mg/L時(shí),去除率在99%以上,當(dāng)Cr(Ⅵ)溶液濃度為 50mg/L時(shí),去除率降低為80%,當(dāng)Cr(Ⅵ)溶液濃度為100mg/L時(shí),去除率只有50%.因此,隨著Cr(Ⅵ)溶液濃度的上升,去除率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).有學(xué)者認(rèn)為高濃度初始溶液會(huì)抑制nZVI活性[14].
圖4 初始Cr6+濃度對(duì)于nZVI去除Cr6+的影響Fig.4 Effect of initial Cr6+concentration on the removal of Cr6+with nZVI
圖5 放置時(shí)間對(duì)于nZVI去除Cr6+的影響Fig.5 Effect of storage period on the removal of Cr6+with nZVI
2.1.5 nZVI穩(wěn)定性 在相同的反應(yīng)條件下,將放置1d和8d的樣品與新鮮制備的樣品作對(duì)比,結(jié)果見圖5.新鮮制備的nZVI樣品的去除率可以達(dá)到82%,放置1d后,去除率下降到74%,放置8d,去除率降低到55%.nZVI顆粒去除率下降是因?yàn)殡S著放置時(shí)間的增加,nZVI顆粒表面接觸更多空氣中的氧氣和水分,會(huì)在表面發(fā)生氧化以及電化學(xué)反應(yīng),形成鐵的氧化物或羥基氧化物,氧化物會(huì)對(duì) nZVI產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象,減慢反應(yīng)過程的傳質(zhì),從而降低對(duì)六價(jià)鉻的去除效果[15].
2.2 吸附動(dòng)力學(xué)
采用準(zhǔn)一級(jí)速率模型以及準(zhǔn)二級(jí)速率模型分別對(duì)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如表 1所示.由穩(wěn)定性結(jié)果可以看出,在最初 15min之內(nèi),nZVI對(duì)于六價(jià)鉻的去除率上升很快,之后去除率緩慢上升.為使吸附過程充分平衡,取平衡時(shí)間為 80min,實(shí)驗(yàn)值Qe即為80min時(shí) nZVI平衡吸附量(mg/g).擬合結(jié)果見表1.
表1 nZVI去除Cr6+的準(zhǔn)一級(jí)速率模型和準(zhǔn)二級(jí)速率模型數(shù)據(jù)擬合Table 1 The fitting data of the Cr6+removal by nZVI with pseudo first-order model and pseudo second-order model
圖6 nZVI去除Cr反應(yīng)前后nZVI的SEM和EDS分析Fig.6 The SEM images and EDS results of pre- and post- reaction of Cr6+with nZVI
由表 1可以看出,準(zhǔn)二級(jí)速率模型相關(guān)系數(shù)R2高于準(zhǔn)一級(jí)速率相關(guān)系數(shù)R2,說明nZVI對(duì)于六價(jià)鉻的吸附更符合準(zhǔn)二級(jí)速率模型.由準(zhǔn)二級(jí)速率模型速率參數(shù)可以看出,反應(yīng)速率k2依次為放置 8d>放置 1d>新鮮制備,雖然去除率為新鮮制備nZVI最高,放置1d后其次,放置8d后最差,但其速率參數(shù)卻與此排序相反,這可能是由于放置8d后,nZVI吸附量降低,相對(duì)新鮮制備的nZVI,可以更快達(dá)到吸附平衡.由準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合Qe值與實(shí)驗(yàn)值Qe相差不大.
2.3 SEM及EDS分析
對(duì)nZVI投加量150mg/L,投加到50mg/LCr(Ⅵ)溶液中,反應(yīng)前后的nZVI進(jìn)行SEM及EDS分析.從圖6可以看出,反應(yīng)前nZVI要比反應(yīng)后疏松,顆粒感更強(qiáng).可能是由于反應(yīng)后,nZVI表面吸附鉻離子,粒徑更小的鉻離子填充了nZVI之間的空隙,導(dǎo)致反應(yīng)后的nZVI更加密實(shí).
譜圖表明,反應(yīng)前nZVI包含F(xiàn)e及O,O可能是在制樣過程中,nZVI表面氧化造成,Fe在2個(gè)位置出現(xiàn)了峰,這可能與Fe氧化后的不同形態(tài)與價(jià)態(tài)有關(guān).反應(yīng)后在nZVI的表面出現(xiàn)了Cr峰,是由于在反應(yīng)完成后,nZVI表面吸附Cr導(dǎo)致.
表2 nZVI去除Cr6+反應(yīng)前后nZVI顆粒的EDS分析(%)Table 2 EDS analysis of nZVI particle of pre- and postreaction of Cr6+with nZVI (%)
對(duì)比反應(yīng)前后 nZVI表面各元素百分含量(表 2),O元素在反應(yīng)后呈現(xiàn)了上升的趨勢(shì),可能是由于在反應(yīng)過程中,nZVI表面被溶液中的溶解氧氧化.在反應(yīng)完成后,nZVI的表面檢測(cè)到了Cr,其含量達(dá)到了12.02%.由于nZVI在反應(yīng)中氧化,以及吸附溶液中Cr離子,致使nZVI表面Fe百分含量在反應(yīng)后下降.
表3 反應(yīng)后溶液中鉻形態(tài)分析Table 3 The analysis of Cr species in the post-reaction solution of Cr6+with nZVI
2.4 去除機(jī)理
nZVI投加量150mg/L,投加到50mg/LCr(Ⅵ)溶液中,反應(yīng)后的溶液總鉻進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見表3.溶液中總鉻濃度為 14.34mg/L,六價(jià)鉻濃度為10.45mg/L,差減法計(jì)算溶液中三價(jià)鉻濃度為3.89mg/L,所以溶液中六價(jià)鉻以及三價(jià)鉻所占溶液初始濃度 50mg/L為 20.9%和 7.78%,剩余71.32%吸附于 nZVI表面.對(duì)穩(wěn)定性結(jié)果進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合,發(fā)現(xiàn)很好的符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)nZVI去除六價(jià)鉻的機(jī)理[13,16]可以進(jìn)行如下判斷.
(1) nZVI去除Cr6+第1步為吸附,一部分六價(jià)鉻吸附于 nZVI的活性點(diǎn)位上,被還原為三價(jià)鉻,另外一部分吸附于 nZVI的非活性點(diǎn)位,依舊以六價(jià)鉻的形式存在.
(2) nZVI與水中氫離子發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生亞鐵離子,結(jié)合第1步反應(yīng)產(chǎn)生的亞鐵離子,與水中的六價(jià)鉻發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生三價(jià)鉻離子與三價(jià)鐵離子.
(3) 三價(jià)鉻離子與三價(jià)鐵離子形成共沉淀,附著于nZVI表面.
研究結(jié)果表明,nZVI對(duì)于水中重金屬去除有廣泛的應(yīng)用前景,但在如何提高其反應(yīng)穩(wěn)定性、降低成本,以及實(shí)際應(yīng)用中可能導(dǎo)致的生態(tài)毒性方面還需進(jìn)一步深入研究.
3.1 nZVI對(duì)水中Cr6+的去除明顯優(yōu)于還原鐵粉及粉末活性炭;pH值越小、初始Cr濃度越低、nZVI放置時(shí)間越短及投加量越大均有利于水中Cr(Ⅵ)的去除,最佳去除率近100%;
3.2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果表明nZVI去除Cr(Ⅵ)符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型;反應(yīng)后 nZVI顆粒的掃描電鏡及電子能譜結(jié)果顯示 Cr占 12.02%(wt),結(jié)合對(duì)反應(yīng)溶液中 Cr(Ⅵ)和 Cr(Ⅲ)分析,吸附、還原與共沉淀可能是nZVI去除水中六價(jià)鉻的主要機(jī)理.
[1] Fu Fenglian, Ma Jun, Xie Liping, et al. Chromium removal using resin supported nanoscale zero-valent iron [J]. Journal of Environmental Management, 2013,128:822-827.
[2] Qiu Xiuqi, Fang Zhanqiang, Yan Xiaomin, et al. Emergency remediation of simulated chromium (VI) polluted river by nanoscale zero-valent iron: Laboratory study and numerical simulation [J]. Chemical Engineering Journal, 2012,193–194: 358–365.
[3] Zhang Xin, Lin Yuman, Shan Xiaoquan, et al. Degradation of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) from explosive wastewater using nanoscale zero-valent iron [J]. Chemical Engineering Journal, 2010,158:566–570.
[4] Li Yimin, Zhang Yun, Li Jianfa, et al. Enhanced removal of pentachlorophenol by a novel composite: Nanoscale zerovalent iron immobilized on organobentonite [J]. Environmental Pollution, 2011,159:3744-3749.
[5] 顏 愛,卞 瓊,劉明華.改性纖維素負(fù)載零價(jià)鐵去除三氯甲烷的研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(1):105-110.
[6] Zhang Yun, Li Yimin, Zheng Xuming. Removal of atrazine by nanoscale zero valent iron supported on organobentonite [J]. Science of the Total Environment, 2011,409:625–630.
[7] 馮婧微,梁成華,王 黎,等.零價(jià)納米鐵對(duì)水中 Cr(VI)的吸附動(dòng)力學(xué)研究 [J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2011,29(24):37-41.
[8] Seol AK, Seralathan K, Kui-Jae Lee, et al. Removal of Pb (II) from aqueous solution by a zeolite–nanoscale zero-valent iron composite [J]. Chemical Engineering Journal, 2013,217:54–60.
[9] Hardiljeet K, Boparai, Meera J, et al. Kinetics and thermodynamics of cadmium ion removal by adsorption onto nano zero valent iron particles [J]. Journal of Hazardous Materials, 2011,186:458–465.
[10] GB/T 7467-87 水質(zhì)—六價(jià)鉻的測(cè)定—二苯碳酰二肼分光光度法 [S].
[11] Dinesh M, Charles U, Pittman Jr. Activated carbons and low cost adsorbents for remediation of tri- and hexavalent chromium from water [J]. Journal of Hazardous Materials, 2006,132(2):762-811.
[12] Naman C, Zhang Zhen, Zhang Jinghui, et al. Removal of Cr(VI) from simulative contaminated groundwater by iron metal [J]. Process Safety and Environmental Protection, 2009,87:395- 400.
[13] Fang Zhanqiang, Qiu Xiuqi, Huang Ruixiong, et al. Removal of chromium in electroplating wastewater by nanoscale zero-valent metal with synergistic effect of reduction and immobilization [J]. Desalination, 2011,280:224-231.
[14] Wu Limei, Liao Libing, Lv Guocheng, et al. Micro-electrolysis of Cr (VI) in the nanoscale zero-valent iron loaded activated carbon [J]. Journal of Hazardous Materials, 2013,254–255:277–283.
[15] Wu Pingxiao, Li Shuzhen, Ju Liting, et al. Mechanism of the reduction of hexavalent chromium by organo-montmorillonite supported iron nanoparticles [J]. Journal of Hazardous Materials, 2012,219-220:283-285.
[16] Liu Tingyi, Zhao Lin, Sun Desheng, et al. Entrapment of nanoscale zero-valent iron in chitosan beads forhexavalent chromium removal from wastewater [J]. Journal of Hazardous Materials, 2010,184:724–730.
Removal Cr6+from water using nanoscale zero-valent iron.
QIN Ze-min1,2, DONG Li-ming1*, LIU Ping3**, ZHOU
Lian-tong(1.Department of Environmental Science and Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China;2.Shenhua Zhungeer Energy Company Limited, Hohhot 010300, China;3.Chinese Society for Environmental Sciences, Beijing 100082, China). China Environmental Science, 2014,34(12):3106~3111
The removal of Cr6+from water using nanoscale zero-valent iron (nZVI) prepared with the liquid phase reduction method was investigated. Results showed that removal rate of Cr6+observed from nZVI was much higher than those from iron powder and activated carbon. Lower pH and initial Cr6+concentration, more fresh nZVI and dosage were favorable of removal of Cr6+in water, and the best removal rate was nearly 100%. The fitting results of reaction dynamics indicated that Cr6+removal by nZVI was well consonant with pseudo second-order model. Cr element with 12.02% (wt) concentration was detected on the post-reaction nZVI particle surface by SEM and EDS. The analysis of Cr6+and Cr3+concentration in reaction solution of adsorption, suggested that reduction and co-precipitation should be the mainl mechanism of the Cr6+removal from water using nZVI.
nanoscale zero-valent iron (nZVI);Cr6+;removal;reaction dynamics
X703
A
1000-6923(2014)12-3106-06
秦澤敏(1990-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,碩士,主要從事重金屬及水污染控制研究.
2014-04-03
北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201310011005);北京市學(xué)科建設(shè)-重點(diǎn)學(xué)科-環(huán)境工程項(xiàng)目(PXM2014_014213_ 000037);北京市自然科學(xué)基金(8112012)
* 責(zé)任作者, 董黎明, 副教授, donglm@btbu.edu.cn
** 責(zé)任作者, 劉平, 高級(jí)工程師, liup3000@163.com