零價鐵電化學法處理地下水中的六價鉻

梁晶 王磊

摘? ?要：鉻對人體有很大的危害，其中以六價鉻為最。工業生產所排放的六價鉻進入到地下水后，給地下水的環境造成了很大的污染，也危害人們的健康。采用零價鐵電化學法處理地下水中的鉻，通過在反應器中投加零價鐵實現氧化還原反應，通過改變pH、溫度、零價鐵的投加量以及反應時間來發現對地下水中六價鉻的最佳去除效率。試驗結果顯示，當溶液的pH在2～8，溫度在16～42 ℃，零價鐵的投加量為0.02～0.08 mg/L，利用零價鐵電化學法去除水中的六價鉻效率最高。

關鍵詞：零價鐵;電化學法;地下水;六價鉻

中國是世界上生產鉻鹽最多的國家之一，每年有大量的鉻渣和含鉻廢液通過各種渠道進入到地下水中。鉻渣中含有水溶性Cr（Ⅵ）和鉻酸鈣。由于缺乏積累技術，鉻渣不能被第一次處理，導致鉻渣長期積累[1]。在降雨過程中，Cr（Ⅵ）隨雨水緩慢滲入地下水，造成地下水污染，影響當地居民的安全，且Cr（Ⅵ）在堿性地下水中存在穩定的溶解狀態，具有良好的遷移能力[2]，對生態環境造成極大危害。同時，Cr（Ⅵ）化合物易被人體吸收，會刺激皮膚和消化道，并可在人體內積累，從而導致癌癥[3]。因此，地下水中的六價鉻亟需科學的方法進行處理，以保護人民生命安全和良好的生態環境。

1? ? 實驗儀器及材料

零價鐵、硫酸鉻、無水乙醇、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、電化學工作站、精密pH計、磁力攪拌器、超聲波反應器、恒溫水浴槽、鼓風干燥器、電子分析天平、紫外燈等。

2? ? 實驗過程

實驗采用2.5 L的有機玻璃柱作為反應裝置（見圖1），該反應裝置底部放置石英砂，并配制10 mg/L重鉻酸鉀水溶液放入，模擬地下水環境。該電化學反應裝置的正極和負極材料均采用較薄的鐵板。電化學裝置的兩極與電化學工作站相連，利用電化學工作站調控施加電壓。在直流電的影響下，陽極會持續溶解先產生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? ? 實驗結果與討論

3.1? pH對Cr去除率的影響

1個大氣壓下，當恒溫振蕩器轉速為300 r/min，零價鐵用量為0.06 g/100 mL時，設置溫度為 25 ℃，配制六價鉻的初始質量濃度為10 mg/L，研究了pH在3、5、7、9時對六價鉻去除效率的影響，實驗結果如圖2所示。由圖2可見，不同pH對六價鉻的去除效率也不相同。pH<7時，有利于Cr（Ⅵ）還原為低價態，pH>7時，對Cr（Ⅵ）的還原效果比較差。這是因為pH較低時，鐵會發生電化學反應，生成比較多的H+和Fe2+，有利于Cr（Ⅵ）的還原，同時，不利于氫氧化鐵生成，使pH不再提高[4];而pH>7時，氫氧根離子會和鐵離子生成氫氧化物覆蓋掉表面，從而降低了內部零價鐵的還原率?？梢姡琾H較低有利于Cr（Ⅵ）還原生成低價態。

3.2? 溫度對Cr去除率的影響

在一個大氣壓下，設置恒溫振蕩器的轉速為300 r/min，pH為5，配制Cr（Ⅵ）的初始質量濃度為10 mg/L，并將零價鐵的投加量設置為0.08 g/100 mL，探討溫度為10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃時對Cr（Ⅵ）還原效果的影響，結果如圖3所示。由圖3可知，Cr（Ⅵ）去除率隨著反應溫度的升高而升高。當溫度在25 ℃時，Cr（Ⅵ）的去除率達到95.4%，當溫度大于35 ℃時，Cr（Ⅵ）還原效果并不明顯。這是由于零價鐵與Cr（Ⅵ）的氧化還原反應是吸熱的，高溫會促進零價鐵和Cr（Ⅵ）的氧化還原反應，但三價鉻在吸附過程中又會釋放熱量[5]，所以，高溫又不利于進行吸附反應。因此，溫度對Cr（Ⅵ）的還原效率影響并不大。

3.3 零價鐵的投加量對Cr去除率的影響

在一個大氣壓下，設置恒溫振蕩器的轉速為300 r/min，pH為5，配制Cr（Ⅵ）的初始質量濃度為10 mg/L，同時，設置溫度為25 ℃，考察了零價鐵的投加量為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時對Cr（Ⅵ）去除效率的影響，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著零價鐵用量增加，Cr（Ⅵ）的還原速率增快。反應時間為130 min，零價鐵投加量為0.02 g/100 mL時，Cr（Ⅵ）的還原效率只有40.6%，隨著零價鐵投加量的增加，去除率不斷增高，當投加量為0.10 g/100 mL時，Cr（Ⅵ）還原率達到了75%，此后隨著投加量增加，去除效率變化不大。這是因為鐵粉和六價鉻發生氧化還原反應，因此，零價鐵投加量越多，反應速度就越快[6-7]。此外，由實驗結果可知，零價鐵與活性炭共同使用時，零價鐵的投加量越大，對Cr（Ⅵ）的去除效果就會越好。

3.4? 反應時間對Cr去除率的影響

配制Cr（Ⅵ）的初始質量濃度為10 mg/L，在一個大氣壓下，設置恒溫振蕩器轉速為300 r/min，在pH為5、25 ℃的反應條件下，零價鐵的投加量為0.08 g/100 mL時，考察了反應時間為5 min、10 min、15 min、20 min、25 min時對鉻去除率的影響，結果如圖5所示。由圖5可知，隨著反應時間的延長，六價鉻的去除效率也提高，當反應時間為25 min時，鉻的去除效率最高，達到68%。由此可知，反應時間越長，六價鉻的去除效率也就越高。

4? ? 結語

本課題研究了pH、零價鐵投加量、反應溫度、反應時間對Cr（Ⅵ）去除效率的影響，通過實驗可知：pH大于7時，零價鐵的還原速率會降低;在35 ℃時，零價鐵和六價鉻反應效率最高，但溫度再升高時，反應變化不明顯;零價鐵投加量越大，Cr（Ⅵ）的去除率越高;在pH為5、溫度為25 ℃、一個大氣壓、恒溫振蕩器轉速為300 r/min、零價鐵的加入量為0.08 g/100 mL的條件下，Cr（Ⅵ）的去除率大于90%;隨著反應時間的延長，Cr（Ⅵ）的去除效率也會提高。

[參考文獻]

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[5]張? ?青.我國地下水污染治理資金來源途徑探討—美國超級基金制度之啟示[J].環境衛生工程，2016，24（2）：87-89.

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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