CMC对纳米零价铁去除污染水体中六价铬的影响

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利用纳米级零价铁(Fe0)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。本文通过ESEM和TEM等手段对所制备的稳化态纳米级CMC-Fe0颗粒进行表征。采用所制备的纳米级Fe0金属对Cr(Ⅵ)进行了还原研究,并进行了拟一级反应动力学拟合。此外,还考察了腐殖酸和钙、钠离子等对Cr(Ⅵ)还原去除的影响。实验结果表明:1.纳米级Fe0还原去除Cr(Ⅵ)发生在铁的表面,颗粒的直径越小,比表面积越大,对反应越有利。加入稳定剂CMC后,在静电斥力和位阻效应的作用下,纳米级Fe0颗粒较为分散,不易发生团聚。除了减弱物理间相互作用外,CMC包裹在纳米级Fe0颗粒表面,阻止了ZVI表面高活性位点与周围的介质(溶解氧和水)反应,从而维持其高反应性。结果表明,在本实验条件下,最适宜的CMC:Fe0=5:1。相同条件下其除铬效率约为普通纳米级Fe0的4.3倍,为铁屑的12倍。2.影响CMC-Fe0体系对Cr(Ⅵ)还原去除效果的因素有:CMC投加量、纳米级Fe0投加量、Cr(Ⅵ)初始浓度、初始pH值、反应温度以及离子强度。实验结果表明,较大的纳米级Fe0用量、较高的反应温度、较低的pH值都有利于Cr(Ⅵ)的去除。3.CMC-Fe0体系还原去除Cr(Ⅵ)符合准一级反应动力学。反应速率随着纳米级Fe0投加量的增加和反应温度的升高而增大;随着Cr(Ⅵ)初始浓度和pH值的升高而降低。通过阿累尼乌斯方程计算得出在本实验条件下求得的表观活化能E=29.3 kJ/mol,指前因子k0=2341.6 min-1。4.HA对纳米铁去除Cr(Ⅵ)有较大的抑制作用,并随着HA浓度的增加,抑制作用显著增大,当HA达到40mg/L时,去除效率仅为原先的一半左右。在制备纳米级Fe0过程中投加稳定剂CMC在一定程度上可以促进反应的进行,进而消除HA带来的抑制作用。5.Fe0还原Cr(Ⅵ)的反应机理为:Fe0发生电化学腐蚀产生H原子和Fe(Ⅱ),H原子和Cr(Ⅵ)发生氧化还原反应。此外Fe0和Fe(Ⅱ)也会对Cr(Ⅵ)直接还原去除,产物CI(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)在Fe0表面形成铬铁共沉淀物,覆盖在Fe0表面形成钝化层,阻碍了反应的进行。
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