CN110282708A - 一种沼液中去除重金属络合物的装置及方法 - Google Patents

一种沼液中去除重金属络合物的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种沼液中去除重金属络合物的装置及方法，该装置包括重金属去除单元，该单元包括：电磁体柱，在电磁体柱的表面分布有铁基磁性颗粒；在电磁体柱的两端连通有电流回路。本发明装置不仅能提高铁颗粒与重金属络合物的接触效率还能加速铁颗粒的供电子速率，从内因和外因两方面提高重金属的去除效率。

Description

一种沼液中去除重金属络合物的装置及方法
技术领域
本发明涉及环境处理技术领域，尤其涉及一种沼液中去除重金属络合物的装置及方法。
背景技术
集约化养殖猪场大中型沼气工程运行所产生的沼液中含有大量铜、锌等重金属和可溶性有机物。研究表明，沼液中重金属并不是以简单的荷电阳离子(Cu2+/Zn2+)存在，而是与沼液中的可溶性有机质物结合形成不同荷电状态的络合物。这些络合物难以通过传统的酸碱沉淀等化学方法予以去除，给沼液的安全处理与处置带来了新的技术挑战。目前，去除溶液中重金属络合物方法的主要技术原则是通过调整溶液pH值改变重金属的络合状态，尽可能地使重金属络合物转变成为简单的金属阳离子，然后通过酸碱沉淀予以去除。溶液酸碱度的调整必将导致酸碱溶液的大量使用及酸碱沉淀污泥的产生，增加了沼液安全处理处置的经济成本。
作为环境友好材料的零价铁在对去除溶液中重金属阳离子具有良好的去除效果，显示出了显示出了具有较强极大的应用前景。已有研究结果表明，重金属阳离子主要通过吸附还原、吸附沉淀等化学和物理过程被固定在零价铁颗粒表面，从而实现其从溶液中的分离去除。然而，对于以络合形态存在重金属阴阳粒子，单一的零价铁去除效果并不显著，这限制了零价铁技术在处理重金属污染废水中的广泛应用。鉴于零价铁在磁场中能被赋磁和消磁的物理性质，利用磁场激发零价铁对重金属离子的反应活性已成为近年来基础研究和应用技术开发的热点。同济大学张伟贤和关小红等利用永磁铁产生的静态稳定磁场刺激零价铁实现了对溶液中简单铜、锌、铬、镉、砷等重金属阳离子的高效去除，其去除机理和去除路径与无磁场刺激条件下相比具有显著差异。在此基础上，各种基于静态稳定磁场强化零价铁去除溶液中重金属的技术被开发并申请专利保护。
目前在磁场与零价铁协同处理重金属的授权专利方面主要以高校和科研院所为主导，其次有少量的企业参与申请转化。高校主要集中在同济大学和北京工业大学，科研院所主要集中在中国环境科学研究院和中国科学院生态环境研究中心。由此可见，目前该技术主要还处于实验室小试规模阶段，集成的中试技术及商品化设备并未投入实际生产。同济大学张伟贤教授团队利用纳米零价铁的高反应活性将溶液中的重金属阳离子吸附固定在铁颗粒表面，由于单质铁天然具有被磁铁吸附的性质，吸附固定了重金属的纳米零价铁在外加磁场(电磁体和永磁体)吸引力作用下从溶液中分离，最终实现溶液中重金属离子的去除。同时，同济大学的关小红教授团队利用单质铁赋磁后具有磁记忆的性质，将永磁铁作为稳定磁场对零价铁颗粒进行磁化预处理。预处理后的零价铁颗粒置入重金属污染溶液中，通过搅拌等物理方式增加零价铁与重金属离子的接触几率进而达到将重金属离子从溶液中去除的目的。中国科学院生态环境研究中心曲久辉团队和中国环境科学研究院席北斗团队也是将永磁体产生的稳定静态磁场作为预处理手段对零价铁实施磁化预处理，然后再用于溶液中重金属的去除或者回收。由此可见，目前已有的磁场与零价铁耦合去除溶液中重金属的实现方式主要有两种：一种是利用单质铁能被磁铁吸引的性质来分离回收吸附重金属后的零价铁颗粒；另一种就是利用永磁体产生的稳定磁场对单质铁进行磁化预处理从而激发零价铁的反应活性达到去除溶液中重金属的目的。
然而，传统的零价铁去除溶液中重金属离子一般都是通过静态接触方式实现:即铁颗粒在静置的水溶液中通过外力摇晃与重金属离子接触反应，并在重力作用下使铁颗粒逐渐沉降在溶液底部，如此就导致重金属离子与铁颗粒接触几率下降、去除效率逐渐降低。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种针对沼液中重金属与溶解性有机质(DOM)络合之后的重金属络合物的去除方法和相应装置。
一种沼液中去除重金属络合物的装置，包括重金属去除单元，该单元包括：电磁体柱，在电磁体柱的表面分布有铁基磁性颗粒；在电磁体柱的两端连通有电流回路。
进一步地，如上所述的沼液中去除重金属络合物的装置，在电磁体柱的上下两端分别安装有屏蔽盘。
进一步地，如上所述的沼液中去除重金属络合物的装置，在电磁体柱的外圆周通过连接杆连接有扇叶。
进一步地，如上所述的沼液中去除重金属络合物的装置，在电流回路上设置有数字电位器。
进一步地，如上所述的沼液中去除重金属络合物的装置，包括若干个根据一定规则排列设置的重金属去除单元。
一种沼液中去除重金属络合物的方法，包括以下步骤：
在沼液中分布布置若干重金属去除单元；
每个重金属去除单元包括：电磁体柱，在电磁体柱的表面分布有铁基磁性颗粒；在电磁体柱的两端连通有电流回路；
通过所述电流回路给每个电磁体柱的两端施加大小以及方向不同的电压；
通过施加大小以及方向不同的电压实现电磁体柱周围磁场大小和方向的变化；
通过电磁体柱周围磁场大小和方向的变化激发吸附在电磁体柱上的铁基磁材料的化学活性；
通过激发电磁体柱上的铁基磁材料的化学活性实现对沼液中络合重金属的固定化去除。
有益效果：
本发明提供的方法，含重金属的沼液以推流的方式流经电磁体柱，分布在电磁体柱表面的零价铁颗粒与重金属离子充分接触并且不会在重力作用下沉降于反应器底部导致去除效率随着时间的延长而降低。固定在电磁体柱表面的扇叶在水流的冲击下获得偏向旋转力并带动整个电磁柱体发生自转动，显著提高了铁颗粒与重金属离子的空间接触率。同时，在变磁场刺激作用下零价铁颗粒释放电子速率显著提高，加速了重金属离子的还原和吸附沉淀过程，提高了其从水溶液中的去除效率。因此，该技术装置不仅能提高铁颗粒与重金属离子的接触效率还能加速铁颗粒的释放电子的速率，从内因和外因两方面提高重金属的去除效率。
附图说明
图1为本发明重金属去除单元结构示意图；
图2为本发明沼液中去除重金属络合物的装置结构示意图；
附图说明：
1-屏蔽盘；2-扇叶；3-导体转轴；4-数字电位器；5-铁基磁性颗粒；6-电磁体。
图3(a)为本发明动态连续去除效果图；
图3(b)为本发明静态去除效果图。
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，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明重金属去除单元结构示意图；图2为本发明沼液中去除重金属络合物的装置结构示意图；如图1、图2所示，所述沼液中去除重金属络合物的装置，包括若干个根据一定规则排列成阵列形式的重金属去除单元，该单元包括：电磁体柱6，在电磁体柱6的表面分布有铁基磁性颗粒5；在电磁体柱6的两端连通有电流回路。如图2所示，L和d分别为电磁体柱之间的横向和纵向间距。该间距的存在是为了避免电磁体之间可能出现的磁场重叠进而导致相互吸引，影响去除效果。
具体地，重金属(Cu、Pb、Zn等)属于反磁性金属，其离子在变磁场中呈现较强的反磁现象，但这种反磁特性与重金属的存在形态无关。因此，以络合形态存在的Cu/Zn粒子就能够在变磁场中表现出特异的趋向性，从而形成络合物结构中心金属离子(Cu/Zn)被锚定在电磁体柱上而配体(DOM)则“漂浮”于柱体之外但与中心原子紧密结合的非共面空间结构。附着在电磁体柱表面的零价铁其给电子能力活性被变磁场激发后与配体(DOM)竞争中心原子(Cu/Zn)进而从而最终实现对络合型形态重金属(Cu/Zn)的去除。
该阵列式除重金属装置是由多个电磁场激发单元按照一定的空间排列构建而成的，电磁场激发单元和零价铁是该装置和工艺的核心组成，其本质是电磁体物理元件。通电后的电磁体在其周围空间产生磁场，零价铁在电磁场中按照一定的顺序分布并附着在电磁体表面。零价铁与电磁体之间的附着力大小可以通过调节外加直流电电流大小来实现，进而可以适应流速变动较大的水流冲击。同时，在保证零价铁与电磁体之间足够附着力的前提下，通过改变外加电流的大小实现电磁体周围空间磁场大小的变化。在不断变化的空间磁场中，零价铁颗粒的磁化过程在赋磁和消磁之间交替变化并在颗粒周围产生对顺磁性和抗磁性金属离子具有约束的场域。另外，零价铁原子的电子排布在赋磁和消磁之间也会发生变化，从而显著改变其在氧化还原过程中的给电子能力。溶液中的重金属离子在水流推动力作用下流经电磁体和零价铁颗粒表面并进入零价铁颗粒的约束场域。重金属离子在该场域中被零价铁迅速捕捉，标准氧化还原电位大于Fe°/Fe2+电子对的重金属快速得到零价铁给出的电子实现还原而低于Fe°/Fe2+电子对氧化还原电位的重金属则通过共沉淀沉积在零价铁颗粒表面形成氢氧化物或者氧化物。铜和锌是沼液中的主要重金属且Cu°/Cu2+和Zn°/Zn2+电子对的标准氧化还原电位分别大于和小于Fe°/Fe2+电子对，因此Cu主要通过还原反应以铜单质的形式附着在零价铁颗粒表面而Zn主要通过共沉淀以氢氧化锌的形式沉积在零价铁颗粒表面。通过分析零价铁颗粒表面的物相组成(XRD)和元素价态构成(XPS)阐明在交变磁场诱导下零价铁在水环境中的化学过程。
优选地，为了避免电磁体柱之间磁场的相互影响，进一步提高对络合形态重金属(Cu/Zn)的去除效率，本发明在电磁体柱6的上下两端分别安装有屏蔽盘1。
优选地，为了增加沼液中液体的流动速度，进一步提高对络合形态重金属(Cu/Zn)的去除效率，本发明在电磁体柱6的外圆周通过连接杆连接有扇叶2。
优选地，在电流回路上设置有数字电位器4，通过数字电位器4可以精确地掌握控制去除重金属络合物的各种参数。
本发明还提供一种沼液中去除重金属络合物的方法，包括以下步骤：
在沼液中分布布置若干重金属去除单元；
每个重金属去除单元包括：电磁体柱，在电磁体柱的表面分布有铁基磁性颗粒；在电磁体柱的两端连通有电流回路；
通过所述电流回路给每个电磁体柱的两端施加不同大小以及方向的电压；
通过施加大小以及方向不同的电压实现电磁体柱周围磁场大小和方向的变化；
通过电磁体柱周围磁场大小和方向的变化激发吸附在电磁体柱上的铁基磁材料的化学活性；
通过激发电磁体柱上的铁基磁材料的化学活性实现对沼液中络合重金属的固定化去除。
具体地，本发明通过调整电磁体柱的输入电压大小和方向实现激发磁场大小和方向的变化。变化的磁场不仅能激发吸附在电磁体柱上的铁基磁材料的化学活性(还原给电子能力等)，而且能够解除沼液中溶解性有机质(DOM)对重金属离子的络合作用进而实现溶液中络合重金属的快速固定化去除。特别是抗磁性重金属离子在磁场中受电磁力吸引而产生的趋向性与该金属离子所带电荷无关，这就使DOM-重金属络合结构中的中心离子(重金属离子)更容易被锚定在电磁体柱上被固定去除。
图3(a)为本发明动态连续去除效果图；图3(b)为本发明静态去除效果图，反应条件：C铁基颗粒＝2g L-1,T＝25℃,B(磁感应强度)＝50mT,从图3可以看出，利用本发明工艺去除沼液中重金属络合物的效率高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种沼液中去除重金属络合物的装置，其特征在于，包括重金属去除单元，该单元包括：电磁体柱(6)，在电磁体柱(6)的表面分布有铁基磁性颗粒(5)；在电磁体柱(6)的两端连通有电流回路。
2.根据权利要求1所述的沼液中去除重金属络合物的装置，其特征在于，在电磁体柱(6)的上下两端分别安装有屏蔽盘(1)。
3.根据权利要求1所述的沼液中去除重金属络合物的装置，其特征在于，在电磁体柱(6)的外圆周通过连接杆连接有扇叶(2)。
4.根据权利要求1所述的沼液中去除重金属络合物的装置，其特征在于，在电流回路上设置有数字电位器(4)。
5.根据权利要求1所述的沼液中去除重金属络合物的装置，其特征在于，包括若干个根据一定规则排列设置的重金属去除单元。
6.一种沼液中去除重金属络合物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在沼液中分布布置若干重金属去除单元；
每个重金属去除单元包括：电磁体柱(6)，在电磁体柱(6)的表面分布有铁基磁性颗粒(5)；在电磁体柱(6)的两端连通有电流回路；
通过所述电流回路给每个电磁体柱(6)的两端施加大小以及方向不同的电压；
通过施加大小以及方向不同的电压进而实现电磁体柱周围磁场大小和方向的变化；
通过电磁体柱周围磁场大小和方向的变化激发吸附在电磁体柱上的铁基磁材料的化学活性；
通过激发电磁体柱上的铁基磁材料的化学活性实现对沼液中溶解性有机质络合重金属的固定化去除。
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