零價(jià)鐵電化學(xué)法處理地下水中的六價(jià)鉻

梁晶 王磊

摘? ?要：鉻對(duì)人體有很大的危害，其中以六價(jià)鉻為最。工業(yè)生產(chǎn)所排放的六價(jià)鉻進(jìn)入到地下水后，給地下水的環(huán)境造成了很大的污染，也危害人們的健康。采用零價(jià)鐵電化學(xué)法處理地下水中的鉻，通過(guò)在反應(yīng)器中投加零價(jià)鐵實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)，通過(guò)改變pH、溫度、零價(jià)鐵的投加量以及反應(yīng)時(shí)間來(lái)發(fā)現(xiàn)對(duì)地下水中六價(jià)鉻的最佳去除效率。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)溶液的pH在2～8，溫度在16～42 ℃，零價(jià)鐵的投加量為0.02～0.08 mg/L，利用零價(jià)鐵電化學(xué)法去除水中的六價(jià)鉻效率最高。

關(guān)鍵詞：零價(jià)鐵;電化學(xué)法;地下水;六價(jià)鉻

中國(guó)是世界上生產(chǎn)鉻鹽最多的國(guó)家之一，每年有大量的鉻渣和含鉻廢液通過(guò)各種渠道進(jìn)入到地下水中。鉻渣中含有水溶性Cr（Ⅵ）和鉻酸鈣。由于缺乏積累技術(shù)，鉻渣不能被第一次處理，導(dǎo)致鉻渣長(zhǎng)期積累[1]。在降雨過(guò)程中，Cr（Ⅵ）隨雨水緩慢滲入地下水，造成地下水污染，影響當(dāng)?shù)鼐用竦陌踩?，且Cr（Ⅵ）在堿性地下水中存在穩(wěn)定的溶解狀態(tài)，具有良好的遷移能力[2]，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大危害。同時(shí)，Cr（Ⅵ）化合物易被人體吸收，會(huì)刺激皮膚和消化道，并可在人體內(nèi)積累，從而導(dǎo)致癌癥[3]。因此，地下水中的六價(jià)鉻亟需科學(xué)的方法進(jìn)行處理，以保護(hù)人民生命安全和良好的生態(tài)環(huán)境。

1? ? 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

零價(jià)鐵、硫酸鉻、無(wú)水乙醇、重鉻酸鉀、二苯碳酰二肼、七水合硫酸亞鐵等;紫外分光光度計(jì)、電化學(xué)工作站、精密pH計(jì)、磁力攪拌器、超聲波反應(yīng)器、恒溫水浴槽、鼓風(fēng)干燥器、電子分析天平、紫外燈等。

2? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)采用2.5 L的有機(jī)玻璃柱作為反應(yīng)裝置（見(jiàn)圖1），該反應(yīng)裝置底部放置石英砂，并配制10 mg/L重鉻酸鉀水溶液放入，模擬地下水環(huán)境。該電化學(xué)反應(yīng)裝置的正極和負(fù)極材料均采用較薄的鐵板。電化學(xué)裝置的兩極與電化學(xué)工作站相連，利用電化學(xué)工作站調(diào)控施加電壓。在直流電的影響下，陽(yáng)極會(huì)持續(xù)溶解先產(chǎn)生Fe（II），然后迅速被重鉻酸鉀氧化為Fe（III），而Cr（Ⅵ）則被還原成Cr（III）。

3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1? pH對(duì)Cr去除率的影響

1個(gè)大氣壓下，當(dāng)恒溫振蕩器轉(zhuǎn)速為300 r/min，零價(jià)鐵用量為0.06 g/100 mL時(shí)，設(shè)置溫度為 25 ℃，配制六價(jià)鉻的初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，研究了pH在3、5、7、9時(shí)對(duì)六價(jià)鉻去除效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，不同pH對(duì)六價(jià)鉻的去除效率也不相同。pH<7時(shí)，有利于Cr（Ⅵ）還原為低價(jià)態(tài)，pH>7時(shí)，對(duì)Cr（Ⅵ）的還原效果比較差。這是因?yàn)閜H較低時(shí)，鐵會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成比較多的H+和Fe2+，有利于Cr（Ⅵ）的還原，同時(shí)，不利于氫氧化鐵生成，使pH不再提高[4];而pH>7時(shí)，氫氧根離子會(huì)和鐵離子生成氫氧化物覆蓋掉表面，從而降低了內(nèi)部零價(jià)鐵的還原率?？梢?jiàn)，pH較低有利于Cr（Ⅵ）還原生成低價(jià)態(tài)。

3.2? 溫度對(duì)Cr去除率的影響

在一個(gè)大氣壓下，設(shè)置恒溫振蕩器的轉(zhuǎn)速為300 r/min，pH為5，配制Cr（Ⅵ）的初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，并將零價(jià)鐵的投加量設(shè)置為0.08 g/100 mL，探討溫度為10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃時(shí)對(duì)Cr（Ⅵ）還原效果的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，Cr（Ⅵ）去除率隨著反應(yīng)溫度的升高而升高。當(dāng)溫度在25 ℃時(shí)，Cr（Ⅵ）的去除率達(dá)到95.4%，當(dāng)溫度大于35 ℃時(shí)，Cr（Ⅵ）還原效果并不明顯。這是由于零價(jià)鐵與Cr（Ⅵ）的氧化還原反應(yīng)是吸熱的，高溫會(huì)促進(jìn)零價(jià)鐵和Cr（Ⅵ）的氧化還原反應(yīng)，但三價(jià)鉻在吸附過(guò)程中又會(huì)釋放熱量[5]，所以，高溫又不利于進(jìn)行吸附反應(yīng)。因此，溫度對(duì)Cr（Ⅵ）的還原效率影響并不大。

3.3 零價(jià)鐵的投加量對(duì)Cr去除率的影響

在一個(gè)大氣壓下，設(shè)置恒溫振蕩器的轉(zhuǎn)速為300 r/min，pH為5，配制Cr（Ⅵ）的初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，同時(shí)，設(shè)置溫度為25 ℃，考察了零價(jià)鐵的投加量為0.02 g/100 mL、0.04 g/100 mL、0.06 g/100 mL、0.08 g/100 mL、0.10 g/100 mL時(shí)對(duì)Cr（Ⅵ）去除效率的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著零價(jià)鐵用量增加，Cr（Ⅵ）的還原速率增快。反應(yīng)時(shí)間為130 min，零價(jià)鐵投加量為0.02 g/100 mL時(shí)，Cr（Ⅵ）的還原效率只有40.6%，隨著零價(jià)鐵投加量的增加，去除率不斷增高，當(dāng)投加量為0.10 g/100 mL時(shí)，Cr（Ⅵ）還原率達(dá)到了75%，此后隨著投加量增加，去除效率變化不大。這是因?yàn)殍F粉和六價(jià)鉻發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因此，零價(jià)鐵投加量越多，反應(yīng)速度就越快[6-7]。此外，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，零價(jià)鐵與活性炭共同使用時(shí)，零價(jià)鐵的投加量越大，對(duì)Cr（Ⅵ）的去除效果就會(huì)越好。

3.4? 反應(yīng)時(shí)間對(duì)Cr去除率的影響

配制Cr（Ⅵ）的初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，在一個(gè)大氣壓下，設(shè)置恒溫振蕩器轉(zhuǎn)速為300 r/min，在pH為5、25 ℃的反應(yīng)條件下，零價(jià)鐵的投加量為0.08 g/100 mL時(shí)，考察了反應(yīng)時(shí)間為5 min、10 min、15 min、20 min、25 min時(shí)對(duì)鉻去除率的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，六價(jià)鉻的去除效率也提高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為25 min時(shí)，鉻的去除效率最高，達(dá)到68%。由此可知，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，六價(jià)鉻的去除效率也就越高。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本課題研究了pH、零價(jià)鐵投加量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)Cr（Ⅵ）去除效率的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：pH大于7時(shí)，零價(jià)鐵的還原速率會(huì)降低;在35 ℃時(shí)，零價(jià)鐵和六價(jià)鉻反應(yīng)效率最高，但溫度再升高時(shí)，反應(yīng)變化不明顯;零價(jià)鐵投加量越大，Cr（Ⅵ）的去除率越高;在pH為5、溫度為25 ℃、一個(gè)大氣壓、恒溫振蕩器轉(zhuǎn)速為300 r/min、零價(jià)鐵的加入量為0.08 g/100 mL的條件下，Cr（Ⅵ）的去除率大于90%;隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，Cr（Ⅵ）的去除效率也會(huì)提高。

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Treatment of hexavalent chromium in groundwater by zero-valent iron electrochemical

Liang Jing， Wang Lei

（School of Biology and Environment， Nanjing Polytechnic Institute， Nanjing 210048， China）

Abstract：Chromium， especialy hexavalent chromium is very harmful to the human body.After the hexavalent chromium discharged by industrial production enters the groundwater， it causes great pollution to the environment of the groundwater and also endangers peoples health. In this paper， zero-valent iron electrochemical method is used to treat chromium in groundwater. By adding zero-valent iron to the reactor to achieve electro-oxidation and reduction， the pH value， temperature， amount of zero-valent iron added， and reaction time are used to find the? optimal removal efficiency of hexavalent chromium in groundwater. The test results show that when the pH of the solution is in the range of 3～9 and the temperature is in the range of 16～42 ℃， the dosage of zero-valent iron is 0.02～0.08mg/L， zero-valent iron electrochemistry is the most efficient methocl to remove hexavalent chromium from water.

Key words：zero-valent iron; electrochemistry; groundwater; hexavalent chromium