负载型零价铁处理含铬废水[开题报告]

毕业论文开题报告

环境工程

负载型零价铁处理含铬废水

一、选题的背景、意义

铬是生物体所必须的微量元素之一，但其浓度过高时，会对人类及环境等造很大的危害，如六价铬具有强毒性，被人体吸收后会在体内蓄积，导致癌症的发生。三价铬的浓度过高时，会使鱼类中毒死亡，同时水体受到严重污染而不能被使用。铬的工业污染主要来自铬矿石加工、金属表面处理、皮革鞣制、印染、照相材料等行业的废水、废渣的排放。铬是水质污染控制的一项重要指标。

二、相关研究的最新成果及动态

目前，对铬废水的处理主要采用生物法、离子交换法、化学还原法、电解法、化学沉淀法、电渗法和吸附法[1-2]，其中吸附法具有操作简单，投资费用少，处理效果好等特点而受到重视[2-3]。可用作吸附剂的天然高分子及其衍生物主要有：纤维素、淀粉、木质素、壳聚糖、单宁、蛋白质和藻类。这些天然高分子物质对铬有一定的吸附性能，且原料来源丰富，价格低廉，选择性大，投药量小，安全无毒，可以完全生物降解，无二次污染，不受pH值变化影响，因此在众多吸附剂的研究开发中备受关注。70年代以来，美、英、法、日和印度结合本国天然高分子资源，重视化学改性天然有机高分子吸附、絮凝剂的研制[4]，我国天然高分子资源极为丰富，但相对而言，这方面的研究还较少。

也有以粉煤灰做吸附材料的，粉煤灰是锅炉燃烧过程中没有完全燃烧的飞末，具有良好的吸附性与稳定的化学性，用粉煤灰吸附处理含铬废水，既可提高废水处理的经济效益，又可以解决粉煤灰对环境的污染问题[5]。

然而铁粉或铁屑由于反应速度慢，无法使零价铁得到充分的利用。近十几年来，纳米铁(Nanoscale Zero-Valent Iron，NZVI)由于具有巨大的比表面积和高反应活性等特点，在污染物修复领域开展了广泛的研究。物化方法治理Cr(VI)污染所需费用过高，且去除不具有选择性，只是发生了污染物的转移或浓缩。生物修复技术虽然高效低耗，但修复时间长，并且存

在着添加营养盐、生物安全性以及可能产生毒性更大的产物等问题，也限制了其实用化。自从20世纪80年代末有人报道零价铁可以还原去除水溶液中的氯代有机物以来，利用零价铁处理水体污染物一直是非常热门的研究领域，近年来，零价铁已被广泛地用来还原去除污染水体中cr(VI)等污染物质，由于零价铁(Fe o)具有廉价、高还原势和反应速度快的特点，已成为地下水原位修复中最有效的反应介质材料之一。

因为所有对铬(VI)的修复过程都在铁的表面发生，作为反应材料的零价铁粒径非常小，一般为毫米级甚至是纳米级。较小的铁粒直径增加了零价铁的比表面积，增强了铁粉的吸附能和物理化学活性。在反应的开始阶段，实际以吸附作用为主，而且这种吸附作用是物理吸附而非化学吸附。因此，铁粉有较高的吸附性，可以吸附水中的部分重金属离子，这种吸附是广谱性的。但铁粉的密度较大，在水中的孔隙率较小，因而其吸附作用不能充分发挥，所以利用零价铁负载其他东西来更好的处理含铬(VI)废水。将纳米铁固定于具有某些特性的载体上制成负载型纳米铁[6]，能够有效防止粒子的团聚，提高纳米铁的反应活性。

三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标

3.1研究路线

利用纳米级零价铁(Fe o)还原去除六价铬(cr(VI))近年来日益受到关注。但纳米级零价铁由于表面积大而很不稳定，易于相互碰撞凝结聚合成大颗粒，反应活性迅速降低，如在纳米级零价铁制备中添加稳定剂羧甲基纤维素(CarboxymethylCellulose，CMC)，可以有效防止纳米铁的聚合，从而有效提高纳米级零价铁对水中Cr(VI)的还原去除。

负载在石墨上的零价铁操作：

负载型纳米铁的制备采用无氧操作，由真空气体分配器输送高纯N2保护。将FeSO4·7H2O 溶于无水乙醇和水的混合溶液并加入聚乙二醇作为分散剂。搅加入适量石墨，通氮气去除溶液中的氧。将KBH4碱性溶液缓慢滴加溶液中。剧搅拌下反应30min，用无氧去离子水洗涤产物四次，再用无水乙醇洗涤最后烘干反应方程式：2Fe2+BH4+3H2O＝2Fe+B(OH)3+3.5H2[7]。

活性纤维负载纳米铁操作[9]：活性炭纤维负载型纳米铁合成条件的优化，使用高纯氮气和真空线控制反应体系在无氧的条件下，选择FeS04·7H20和KBH4作为反应试剂，将0.15gFeS04·7H20溶解于12.5mL脱氧水后，加入17.5mL无水乙醇作为反应介质，乙醇和水

的比例为5:7，反应溶液的pH调节为6.5，按照20％的比例将纳米铁负载在活性炭纤维上。KBH4的量为理论值的两倍，配制成溶液以2滴／s的速度滴加。整个体系持续通高纯氮气保持无氧的环境反应30min。反应结束后，用磁选法分离出纳米铁粒子，再用脱氧去离子水和脱氧乙醇各洗涤三次，得到活性炭纤维负载型纳米铁。TEM表征结果表明，当纳米铁的负载比率为20％时，纳米铁在活性炭纤维表面分散良好，单个纳米铁的粒径为80nm左右。而当纳米铁的负载比率为30％时，纳米铁则不能均匀的分散[8]。

负载在树脂上的零价铁操作[10]：按质量比3:5分别称取FeSO4·7H2O 和新鲜树脂。FeSO4 ·7H2O溶解于50 mL 水中，树脂用4～6 mol/L盐酸活化一定时间后，用去离子水多次洗涤至中性附近，然后将树脂与FeSO4 ·7H2O水溶液混合于250 mL 锥形瓶中，置于振荡器上以200 r /min转速振荡，离子交换1 h后，用去离子水洗去多余的Fe2 +，将树脂置于冰水浴中，然后在搅拌下缓慢滴加一定体积的21.5%的NaBH4碱性溶液。反应按照方程式(1)进行：

Fe2 + 2BH4-+ 6H2O→Fe0 + 2B (OH) 3 + 7H2(1) 反应完成后，继续搅拌10 min，然后用大量水洗涤，得灰黑色的球状颗粒。

先用4mol/L的盐酸处理树脂30min，将树脂表面的钠离子交换为H+，再用足够的去离子水将盐酸清洗干净。然后将FeSO4·7H2O和处理过的树脂按照质量比1:3.58加到水溶液中，磁力搅拌下交换30min，保证所有的Fe2+交换到阳离子交换树脂表面。用去离子水再将交换过的树脂清洗以去除树脂表面未交换上的Fe2+。冰水浴条件下，去离子水配制0.2mol·L的NaBH4溶液备用。将20g交换有Fe2+的阳离子交换树脂(湿重)转移到一盛有100mL去离子水并置于冰水浴中的500mL烧杯中。磁力搅拌作用下，缓慢加入100mLNaBH4溶液，树脂迅速由浅黄色变为灰色，再变为黑色，反应过程中有大量H2生成。30min后，再次清洗黑色的树脂，去除表面剩余的NaBH4。最后所得材料保存在弱碱性水溶液中待用。

研究方向：

也由于实验室条件限制，选用第3种离子交换树脂为铁的载体。

pH的影响，温度，负载型零价铁投加量的影响，反应时间，Cr(VI)不同初始浓度的影响等因素。

对含铬废水用负载型零价铁做相关实验，以确定实验的最佳操作条件。

并用二苯碳酰二肼分光光度法测定六价铬的含量；

原理：在酸性溶液中，六价铬与二苯碳酰二肼反应生成紫红色化合物，于波长540nm 处进行分光光度测定。