陽離子對零價鐵修復(fù)鉻污染水體的影響

李 雅，汪 葵，李超超，見星剛，張 丹

（1.西安航空學(xué)院 動力工程系，陜西 西安 710077；2.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院 林業(yè)與環(huán)境學(xué)院，江西 贛州 341000）

目前，零價鐵作為一種典型的污水處理劑已被廣泛使用。它具有物美價廉，方便易得等優(yōu)點。但是自然水體含有多種的陰陽離子，這些離子的存在會改變零價鐵的去污活性。一部分離子能提高零價鐵的去除污染物的能力，但是另一部分離子會降低零價鐵的去污能力，甚至使其完全失活。有些離子甚至?xí)c污染物發(fā)生一系列反應(yīng)，改變零價鐵與污染物的反應(yīng)歷程。因此在應(yīng)用零價鐵實際修復(fù)污染水體之前，弄清楚自然水體中主要離子對零價鐵活性的影響及其對零價鐵修復(fù)水體污染的影響十分必要。本文在實驗條件下，研究了零價鐵在Ca2＋、Mg2＋單獨存在及共存時對水體中鉻污染的去除率，目的是搞清楚Ca2＋、Mg2＋對零價鐵去除水體中鉻污染的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

還原鐵粉（Fe0，分析純）；重鉻酸鉀；分析純，配成100mg／L標準儲備液，實驗所需濃度的鉻液現(xiàn)用現(xiàn)配。陰離子來源：CaSO4·2H2O、MgSO4·7H2O（均為分析純）。

實驗用水為去離子水。

1.2 儀器

722N可見分光光度計（上海菁華科技儀器有限公司）；

HZQ－R型氣浴恒溫振蕩器（東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司）；

TDL－40B型離心機（上海安亭）；

AUX220型電子天平（日本島津）；

DHG－9053A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司）；

BCD－235YH冰箱（海爾）；

SB25－12DT超聲波清洗機（寧波新芝生物科技股份有限公司）；

SHB－Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長城科工貿(mào)有限公司）。

1.3 方法

稱取適量鐵粉加入盛有一定量鉻使用液的錐形瓶中，然后立即密封瓶口。將錐形瓶放于恒溫振蕩器中，在轉(zhuǎn)速為230－240r／min的條件下震蕩，每隔一段時間取固定體積樣品，經(jīng)TDL－40B型離心機分離后，置于具塞比色管中，使用722N可見分光光度計分析其吸光度A540。鐵粉用量均為3.5 g；鉻液質(zhì)量濃度均為10mg／L；反應(yīng)時間均為60min。

每個實驗重復(fù)三次，結(jié)果取平均值以保證其準確性；在實驗進行中，所有樣品的采集和分析都在室溫下完成。

鉻的測定：二苯碳酰二肼分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 陽離子單獨存在的影響

零價鐵的去污活性會受到水體中陽離子的影響。據(jù)文獻報道，F(xiàn)e2＋、Fe3＋和Cu2＋的存在能加快零價鐵去污，而Ca2＋、Mg2＋和Zn2＋卻無明顯影響。Lo等研究鈣離子和鎂離子對Fe0修復(fù)六價鉻污染的影響時發(fā)現(xiàn)：沉淀物中的三價鉻離子被鈣離子所取代，形成新的鐵氧體共沉淀，覆蓋在納米鐵的表面使鐵粉鈍化，從而能降低六價鉻的去除率。而鎂和鈣同為第二主族元素，它們的化學(xué)性質(zhì)類似。因此，鎂離子也可以取代沉淀物中的三價鉻離子，形成新的鐵氧體共沉淀阻礙納米鐵修復(fù)水體中六價鉻污染。研究表明：鎂離子存在時，研究者在納米鐵的鈍化層中不但發(fā)現(xiàn)了鉻和鐵的共沉淀物，而且發(fā)現(xiàn)了氧化鎂和氫氧化鎂這些新的沉淀物質(zhì)。這些沉淀形成了新鈍化層覆蓋在鐵粉表面，阻礙了鐵與六價鉻之間的電子傳遞，降低了六價鉻的去除率。研究還發(fā)現(xiàn)：這種影響隨著鎂離子濃度的提高而逐漸增大。

為了探討不同陽離子單獨存在及共存時對零價鐵修復(fù)鉻污染水體的影響，研究了Ca2＋，Mg2＋濃度分別為2mM／L（地下水中鈣、鎂離子的常見濃度）時，零價鐵修復(fù)鉻污染水體的效果，結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出：在本研究中，鈣離子與鎂離子對零價鐵去除鉻污染都起促進作用，且鎂離子的促進作用更大。這與Lo等研究結(jié)果不同。這是因為Lo等研究的對象是納米鐵，而本研究的對象是還原鐵粉。此外在本研究體系中可能發(fā)生了如下反應(yīng)：

圖1 Ca2＋、Mg2＋單獨存在對零價鐵去除鉻污染的影響

由于鈣、鎂離子易和OH－反應(yīng)生成沉淀物質(zhì)，從而直接加快了反應(yīng)（1）和（2）的速度，間接促進了反應(yīng)（3）的進行。而且由于Mg（OH）2的溶度積常數(shù)（1.2×10－11）遠小于 Ca（OH）2（5.5×10－6），在水中Mg2＋更容易形成沉淀，所以Mg2＋的促進作用更明顯。

2.2 陽離子共同存在的影響

鈣離子和鎂離子是構(gòu)成地下水硬度的主要成分。在堿性環(huán)境中：鈣離子和鎂離子容易形成氫氧化物沉淀，這些沉淀可以降低零價鐵的去污效果。因此，本研究考察了鈣、鎂離子共存時（二者濃度均為2mM／L），零價鐵去除鉻污染的效果，如圖2所示。由圖2可知鈣、鎂離子共存時零價鐵去除污染物的能力更強，大于二者單獨存在的體系。這可能因為二者與反應(yīng)（1）、（2）生成的氫氧根離子結(jié)合生成了沉淀，使化學(xué)平衡向右移動，加快了反應(yīng)（1）和（2）的進行。

圖2 Ca2＋、Mg2＋共存對零價鐵去除鉻污染的影響

3 結(jié)語

在Ca2＋、Mg2＋單獨存在及共存的體系中，水體中的鉻污染都可以被零價鐵有效去除。二者單獨存在時都可以促進零價鐵的去污作用，且鈣離子的促進作用小于鎂離子。而Ca2＋和Mg2＋共存體系可以促進零價鐵去除水體中的鉻污染，其促進作用高于二者單獨存在體系。

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