陽離子對零價鐵修復鉻污染水體的影響

李 雅，汪 葵，李超超，見星剛，張 丹

（1.西安航空學院 動力工程系，陜西 西安 710077；2.江西環境工程職業學院 林業與環境學院，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。有些離子甚至會與污染物發生一系列反應，改變零價鐵與污染物的反應歷程。因此在應用零價鐵實際修復污染水體之前，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用現配。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（東聯電子技術開發有限公司）；

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型循環水式多用真空泵（鄭州長城科工貿有限公司）。

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；鉻液質量濃度均為10mg／L；反應時間均為60min。

每個實驗重復三次，結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。據文獻報道，Fe2＋、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修復六價鉻污染的影響時發現：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，它們的化學性質類似。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現了鉻和鐵的共沉淀物，而且發現了氧化鎂和氫氧化鎂這些新的沉淀物質。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。研究還發現：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，零價鐵修復鉻污染水體的效果，結果如圖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生了如下反應：

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－反應生成沉淀物質，從而直接加快了反應（1）和（2）的速度，間接促進了反應（3）的進行。而且由于Mg（OH）2的溶度積常數（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成地下水硬度的主要成分。在堿性環境中：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（1）、（2）生成的氫氧根離子結合生成了沉淀，使化學平衡向右移動，加快了反應（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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