CN107963909A - 修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料及制备方法 - Google Patents

修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0‑PRB填料及制备方法，以质量分数计，其原料组成为10～20％铸铁粉、40～60％膨润土、20～40％污泥。本发明的产品强度高、比表面积大，且充分利用零价铁粉的比表面积，有效解决了传统Fe0‑PRB填料在应用过程中利用率低、易板结、易堵塞等问题，除铬性能好。

Description

修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料及制备方法
技术领域
本发明属于地下水重金属污染修复领域，具体涉及一种修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料及制备方法。
背景技术
近年来，随着经济持续发展和城市化进程的加快，我国的地下水资源面临着严峻危机，各种重金属通过地表径流、雨水下渗等形式进入地下水体，造成严重污染。其中Cr(VI)可溶性强，易迁移，是已被研究证实的“三致”物质，被列入对人体危害最大的八种化学物质。我国许多地方地下水中Cr(VI)浓度严重超标，由于Cr(VI)污染会对生态环境和人体健康产生严重危害，因此污染修复刻不容缓，是我国当前环境修复领域亟待解决的问题。
一直以来，抽出处理(Pump-Treat)技术作为地下水铬污染修复的主流技术应用最为广泛，但存在的能耗大、干扰大、成本高、易造成地下水二次污染等缺点限制了其发展。近年来，Fe0-PRB技术由于具有能持续原位处理、能耗低、成本低等优势迅速兴起，但研究表明Fe0粉与Cr(VI)发生的是表层反应，反应生成Fe(OH)3、Cr(OH)3以及它们的络合沉淀附着在零价铁粉表面阻碍Fe0粉与Cr(VI)的进一步反应，造成表层氧化深度很薄，最终导致零价铁粉钝化、利用率极低。同时表面生成的这些沉淀还会导致Fe0粉板结，影响PRB的渗透性，从而影响其长期运行。
针对上述问题，国内研究主要集中在降低铁粉粒径与改性零价铁两方面。单纯采用降低铁粉粒径的方法或单纯采用材料包裹零价铁粉的方法，效率提高不够显著，不能达到工程应用的强度要求，不适合大规模实际应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料及制备方法，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
作为本发明的一方面，提供一种修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料，所述填料的原料组成，以质量分数计为，铸铁粉10～20％、膨润土40～60％、污泥20～40％。
作为本发明的另一方面，提供一种修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料的制备方法，步骤如下：
(1)将零价铁粉酸化后，洗至中性，干燥后密封保存；将膨润土和污泥烘干；
(2)按照比例称取零价铁粉、膨润土与污泥，混合均匀；
(3)将步骤(2)得到的混合后的原料造粒，得到生料球；
(4)将生料球干燥；
(5)将干燥后的生料球无氧焙烧，冷却后即得到用于修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料。
优选地，所述零价铁粉为铸铁粉，碳含量含碳量为3～4％。
优选地，所述污泥为城市生活污水处理厂脱水后的污泥。
优选地，步骤(2)中，所述配料按质量计，零价铁粉∶膨润土∶污泥＝(10～20)∶(40～60)∶(20～40)。
优选地，步骤(5)中，所述焙烧过程升温速率为5～10℃/min，在350～400℃预热15～20min，焙烧温度为700～900℃，焙烧时间为30～60min。
从上述技术方案可以看出，本发明的修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料及制备方法具有以下有益效果：
1、本发明的焙烧型Fe0-PRB填料可用于修复地下水的Cr(VI)污染，且对六价铬的去除率高。由于铸铁粉中含碳量高，通过铁碳原电池反应，提高了铁粉的利用效率与还原能力，从而提升了制得填料的除铬性能。
2、本发明引入污泥作为制备原料，利用污泥高有机物含量的特征，在高温焙烧过程中释放气体在填料内部形成多孔结构，使得填料具有较大的比表面积，能够充分利用Fe0粉的比表面积，从而根本上解决了Fe0粉易板结、堵塞的问题
3、本发明对污泥的资源化利用，“以废治废”，对解决污泥的处理处置具有重要的实际意义。
4、本发明所述的焙烧型Fe0-PRB填料，以膨润土为骨架，经高温焙烧制得，具有一定的抗压强度，使大规模工程应用成为可能。
5、本发明所述的焙烧型Fe0-PRB填料原料经济可得，其制备方法操作简便，成本低廉，环境友好，可大量生产，经济效益、环保效益、社会效益显著，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明实施例中用于修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料的制备流程图；
图2为本发明实施例中原料污泥含量不同对焙烧型Fe0-PRB填料除铬性能的影响曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
针对传统Fe0-PRB填料在应用过程中利用率低、易板结、易堵塞等问题，本发明提供一种修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料及制备方法，以质量分数计，其原料组成为10～20％铸铁粉、40～60％膨润土、20～40％污泥。本发明的产品强度高、比表面积大，且充分利用零价铁粉的比表面积，有效解决了传统Fe0-PRB填料在应用过程中利用率低、易板结、易堵塞等问题，除铬性能好。
具体地，本发明提供一种用于修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料，以质量分数计，其原料组成为10～20％铸铁粉、40～60％膨润土、20～40％污泥。通过以下方法得到：
(1)按照一定质量比例称取经过预处理的铸铁粉、膨润土与污泥，将原料置于混料机中混合均匀；
(2)将混合料转移至成球机中，以蒸馏水为粘结剂进行造粒；
(3)将制好的生料球过筛干燥后放入管式炉中，在无氧气氛下焙烧一定时间，即得用于修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料。
本发明的另一方面，提供一种制备上述焙烧型Fe0-PRB填料的方法，步骤如下：
(1)原料预处理：将零价铁粉置于稀盐酸溶液中进行酸化后，用蒸馏水冲洗直至中性为止，用氮气吹扫仪将其吹干后装入干燥容器密封保存待用；将膨润土烘干至恒重备用；将污泥风干后，用破碎机粉碎后筛，烘干至恒重备用；
(2)配料混合：按照一定比例称取相应质量经过预处理后的零价铁粉、膨润土与污泥，将原料置于混料机中混合均匀；
(3)造粒成型：将混合后的物料转移至成球机中，以蒸馏水为粘结剂进行造粒；
(4)干燥：将制好的生料球过筛，置于通风橱内常温干燥后，转移至烘箱中干燥；
(5)焙烧：将干燥后的生料球放入管式炉中，在无氧气氛下焙烧一定时间。焙烧结束后，自然冷却，即得用于修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料。
所述零价铁粉为铸铁粉(含碳3～4％)，粒径200～300目，酸化5～10min，所用稀盐酸浓度为0.1～0.5mol/L，酸洗后水洗时间2～3min。
所述污泥为取自城市生活污水处理厂脱水后的污泥，自然晾干后粉碎过100目筛，置于烘箱中105～110℃烘干至恒重后，装入干燥容器密封保存待用。
所述膨润土为商品钠基膨润土，主要矿物成分为蒙脱石。
步骤(2)中，原料置于混料机中混合15～20分钟。
步骤(3)中，物料含水量控制在15％～20％。
步骤(4)中，生料球经10～12mm筛筛选，置于通风橱内常温干燥24h后，转移至烘箱中105～120℃干燥2h。
步骤(5)中，焙烧过程升温速率控制在5～10℃/min，要在350～400℃预热15～20min，焙烧温度优选为700～900℃，焙烧时间优选为30～60min。
下面举几个具体的实施例，以对本发明的实施和应用效果做更好的说明。
实施例1
具体步骤如下：
(1)原料预处理：取粒径为200目的铸铁粉(含碳3.48％)，用浓度为0.5mol/L的稀盐酸酸化10min后，用蒸馏水冲洗直至中性为止，用氮气吹扫仪将其吹干后装入干燥容器密封保存待用；取商品钠基膨润土置于烘箱中110℃烘干至恒重，装入干燥容器密封保存待用；将取自城市生活污水处理厂脱水后的污泥自然晾干后粉碎过100目筛，置于烘箱中110℃烘干至恒重后，装入干燥容器密封保存待用。
(2)配料混合：按照铸铁粉∶膨润土∶污泥＝20∶40∶40的质量比称取经过预处理的原料，置于混料机中混合15分钟形成混合料。
(3)造粒成型：将混合后的物料转移至成球机中，以质量为15％的蒸馏水为粘结剂进行造粒。
(4)干燥：将制好的生料球经10～12mm筛筛选，置于通风橱内常温干燥24h后，转移至烘箱中120℃干燥2h。
(5)焙烧：将干燥后的生料球放入管式炉中，将管式炉抽真空后通入氮气作为保护气氛，控制升温速率为8℃/min，在350℃预热20min后升温至700℃焙烧30min。焙烧结束后，让其在无氧气氛下自然冷却至室温，取出样品，即得用于修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料。
实施例2
所需材料以及制备过程与实施例1相同，与实施例1不同之处仅在于：称取经过预处理的原料，其质量比为铸铁粉∶膨润土∶污泥＝20∶50∶30。
实施例3
所需材料以及制备过程与实施例1相同，与实施例1不同之处仅在于：称取经过预处理的原料，其质量比为铸铁粉∶膨润土∶污泥＝20∶60∶20。
将上述实施例所制备得到的填料与纯铸铁粉(零价铁含量均为1g)分别加入到初始Cr(VI)浓度为100mg/L、体积为200ml的含Cr(VI)模拟废水中后，置于恒温振荡器(25℃、100r/min)中振荡反应，每隔一段时间取样，测定废水中的Cr(VI)浓度，并计算去除率。实验结果见图2。
本发明不同实施例制得的Fe0-PRB填料的物理性能指标见表1。
表1
实施例 吸水率(％) 抗压强度(MPa)
实施例1 22.5 5.45
实施例2 20.8 5.73
实施例3 18.9 5.91
由此可见，本发明的产品强度高、比表面积大，且充分利用零价铁粉的比表面积，有效解决了传统Fe0-PRB填料在应用过程中利用率低、易板结、易堵塞等问题，除铬性能好。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料，其特征在于，所述填料的原料组成，以质量分数计为，铸铁粉10～20％、膨润土40～60％、污泥20～40％。
2.一种权利要求1所述的修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)将零价铁粉酸化后，洗至中性，干燥后密封保存；将膨润土和污泥烘干；
(2)按照比例称取零价铁粉、膨润土与污泥，混合均匀；
(3)将步骤(2)得到的混合后的原料造粒，得到生料球；
(4)将生料球干燥；
(5)将干燥后的生料球无氧焙烧，冷却后即得到用于修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述零价铁粉为铸铁粉，含碳量为3～4％。
4.根据权利要求1或2所述的修复地下水Cr(VI)污染的焙烧型Fe0-PRB填料，其特征在于，所述污泥为城市生活污水处理厂脱水后的污泥。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述配料按质量计，零价铁粉∶膨润土∶污泥＝(10～20)∶(40～60)∶(20～40)。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述焙烧过程升温速率为5～10℃/min，焙烧温度为700～900℃，焙烧时间为30～60min。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180427

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