CN115093003B - 一种限域体系驱动六价铬瞬时还原的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环境水处理领域，具体涉及一种限域体系驱动六价铬瞬时还原的方法。为解决现有低性能、高能耗、抗干扰差、低浓度去除效果差、工艺复杂化等问题，本发明提供一种简单、高效、无污染、无能耗、抗干扰强、以废治废的限域方法，该方法能够实现六价铬废水和草酸废水的同步去除，该过程在高低浓度都能在极短的时间还原去除水体中的Cr(VI)。

Description

一种限域体系驱动六价铬瞬时还原的方法
技术领域
本发明属于环境水处理领域，具体涉及一种限域体系驱动六价铬瞬时还原的方法。
背景技术
水是人类社会生存和发展不可缺少的自然资源。随着现代工业的快速发展，环境的负担也越来越重。目前情况下的水污染是危及人类生活和健康的最紧迫的全球问题之一。其中，重金属离子由于其毒性大、在自然环境中比较稳定、在水中滞留时间长等特点，成为水污染领域急需解决的难题之一。六价铬(Cr(VI))是世界上第二大无机重金属污染物，因其具有高流动性、致突变性、急性毒性和致癌性，已被大多数国家环境保护机构列为优先污染物。目前，许多可行的含Cr(VI)废水处理技术已经被推出并应用，如离子交换、光催化、吸附、膜过滤、生物处理等。遗憾的是，它们大多具有价格高、能耗高、反应速度慢、不可避免的二次污染和微生物依赖等局限性。因此，开发高效、绿色、经济及可持续的技术处理含六价铬废水具有迫切性和重要社会责任。
发明内容
为解决现有低性能、高能耗、抗干扰差、低浓度去除效果差、工艺复杂化等问题，本发明提供一种简单、高效、无污染、无能耗、抗干扰强、以废治废的限域方法，该方法能够实现六价铬废水和草酸废水的同步去除，该过程在高低浓度都能在极短的时间还原去除水体中的Cr(VI)。
本发明的技术方案是一种限域体系驱动六价铬瞬时还原的方法，包括如下步骤，取含Cr(VI)的水体置于反应容器中，加入活性炭和草酸，搅拌条件下处理；所述活性炭孔径为0.5～1nm。
具体的，所述草酸的浓度为3.8～6.3mM。
进一步的，所述处理体系中，Cr(VI)的浓度为10～300mg/L。
优选的，所述处理体系中，Cr(VI)的浓度为100mg/L。
特别的，所述活性炭用量0.5～2g/L。
其中，所述草酸与六价铬摩尔比为2:1～3.3:1。
优选的，所述草酸与六价铬摩尔比为3.3:1。
具体的，所述搅拌转速为200～800rpm。
特别的，所述反应时间为2.5～20min。
限域效应是指当物质或客体分子处于受限空间时，因其运动受到限制而引起的物理化学性质发生明显改变的现象。基于这样一个概念，选择天然有机小分子草酸为反应物。原因之一是六价铬有与草酸反应的热力学趋势，但是反应极其缓慢。其二是草酸作为植物的分泌物，其浓度是最高的。且草酸废水也同样存在于一些工业领域，为以废治废理念提供一些参考。因此，本发明采用孔径为0.5～1nm的活性炭作为限域反应器，以期望极速去除高毒性的六价铬。
本发明的有益效果在于：
本发明构建的限域体系，可快速去除高毒性的六价铬。本发明提供的方法简单、材料只是选择1nm左右孔径的活性炭(限域反应器)，不需要任何改性或者金属掺杂，同时可以实现两种废水的同步去除，速率极快，两者去除率极高，尤其在低浓度下(10mg/L)可以实现读秒去除(30秒)，高浓度也能实现20min左右去除。在1mM的高浓度阳离子干扰下，去除过程任然能到达90％以上。该过程无耗能，效率高，无污染，装置简便，抗离子干扰能力强，以废治废，对实际含六价铬电镀废水同样能超快去除，为大规模处理Cr(VI)废水提供理论技术指导，具有实际应用价值。
附图说明
图1是不同孔径碳材料的氮气吸附脱附等温线和孔径分布图；本发明选择孔径约为0.5～5nm左右的活性炭为催化剂。如图1所示，图A为Horvath-Kawazoe模型，适用于微孔模型；图B为Barrett-Joyner-Halenda模型，适用于介孔模型。其中，横坐标表示为孔径宽度或者孔直径，纵坐标表示为微分孔体积，就是说纵坐标强度越大，某一孔径的数量越多。国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)把粉体材料中的孔按尺寸分为微孔(Micropores)：孔径＜2nm；中孔或介孔(Mesopores)：孔径2～50nm；大孔(Macropores)：孔径＞50nm。由图可以发现活性炭孔类型主要微孔为主活性炭孔径分布是在0.5～1nm之间。
图2A是有无活性炭，有无草酸对六价铬还原性能图。图2B和2C是体系反应过程中pH的变化和对应的草酸矿化为CO2图；由图2A可知，单一的草酸，单一的活性炭都不能有效的去除六价铬。当有活性炭和草酸共存时，能瞬间去除高浓度的六价铬。图2B和2C显示该体系确实发生了明显的化学反应，说明确实有限域效应的存在。
图3是实施列1中不同活性炭用量催化六价铬还原性能图。
图4是实施列2中不同草酸用量影响催化六价铬还原性能图。
图5是实施列2中草酸去除性能图。
图6是实施列3中不同浓度六价铬影响催化六价铬还原性能图。
图7是实施列4中不同阴离子影响催化六价铬还原性能图。
图8是实施列5中不同阳离子影响催化六价铬还原性能图。
图9是实施列6中实际六价铬电镀废水的六价铬还原性能图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
称取0.05、0.1、0.15和0.2g的活性炭和0.08g草酸于反应容器中，加90mL水搅拌，然后加入污染物六价铬使总体积为100mL(六价铬浓度为100mg/L)，反应启动，每隔一定的间隔取一个点，然后过0.22μm滤头，用二苯碳酰二肼显色法，在540nm处，用紫外可见分光光度计检测其样品的吸光度，根据吸光度计算Cr(VI)浓度，根据Cr(VI)浓度绘制时间-去除率曲线(参见图3，去除率＝Ct/C0)，其中，Ct为取样时的浓度，C0为初始浓度。图3描述的是不同活性炭用量对六价铬还原影响图。由图可以发现，在六价铬与草酸物质的量比为1:3.3时，活性炭用量达到0.05g时，2.5min内可快速去除100mg/L的六价铬。
实施例2
称取0.05g的活性炭和0.484，0.726，0.08g草酸于反应容器中，加90mL水搅拌，然后加入污染物六价铬使总体积为100mL(六价铬浓度为100mg/L)，反应启动，每隔一定的间隔取一个点，然后过0.22μm滤头，用二苯碳酰二肼显色法，在540nm处，用紫外可见分光光度计检测其样品的吸光度，根据吸光度计算Cr(VI)浓度，根据Cr(VI)浓度绘制时间-去除率曲线(参见图4，去除率＝Ct/C0)，其中，Ct为取样时的浓度，C0为初始浓度。图4描述的是不同草酸用量对六价铬还原影响图。由图可以发现，在六价铬与草酸物质的量比为1:3.3时，2.5min内可快速去除100mg/L的六价铬。
实施例3
称取0.05g的活性炭和0.08g草酸于反应容器中，加99，90，70mL水搅拌，然后加入污染物六价铬使总体积为100mL(六价铬浓度为10，100，300mg/L)，反应启动，每隔一定的间隔取一个点，然后过0.22μm滤头，用二苯碳酰二肼显色法，在540nm处，用紫外可见分光光度计检测其样品的吸光度，根据吸光度计算Cr(VI)浓度，根据Cr(VI)浓度绘制时间-去除率曲线(参见图6去除率＝Ct/C0)，其中，Ct为取样时的浓度，C0为初始浓度。图6描述的是不同六价铬浓度对六价铬还原影响图。由图可以发现，在六价铬与草酸物质的量比为1:3.3时，活性炭用量达到0.05g时，30秒内可快速去除10mg/L的六价铬，20min左右可快速去除300mg/L的六价铬。
实施例4
称取0.05g的活性炭和0.08g草酸于反应容器中，加1mM不同阴离子，加90mL水搅拌，然后加入污染物六价铬使总体积为100mL(六价铬浓度为100mg/L)，反应启动，每隔一定的间隔取一个点，然后过0.22μm滤头，用二苯碳酰二肼显色法，在540nm处，用紫外可见分光光度计检测其样品的吸光度，根据吸光度计算Cr(VI)浓度，根据Cr(VI)浓度绘制时间-去除率曲线(参见图7，去除率＝Ct/C0)，其中，Ct为取样时的浓度，C0为初始浓度。图7描述的是不同阴离子对六价铬还原影响图。由图可以发现，在六价铬与草酸物质的量比为1:3.3时，活性炭用量达到0.05g时，阴离子对该体系还原过程几乎没有影响。
实施例5
称取0.05g的活性炭和0.08g草酸于反应容器中，加1mM不同阳离子，加90mL水搅拌，然后加入污染物六价铬使总体积为100mL(六价铬浓度为100mg/L)，反应启动，每隔一定的间隔取一个点，然后过0.22μm滤头，用二苯碳酰二肼显色法，在540nm处，用紫外可见分光光度计检测其样品的吸光度，根据吸光度计算Cr(VI)浓度，根据Cr(VI)浓度绘制时间-去除率曲线(参见图8，去除率＝Ct/C0)，其中，Ct为取样时的浓度，C0为初始浓度。图8描述的是不同阳离子对六价铬还原影响图。由图可以发现，在六价铬与草酸物质的量比为1:3.3时，活性炭用量达到0.05g时，高浓度铁离子对该体系还原过程有影响，但还原过程依然达到了90％去除。
实施例6
称取0.05g的活性炭于反应容器中，加100mL实际电镀含六价铬废水(取自某电镀工业园，部分参数如下表)，搅拌，然后加入0.08g草酸，反应启动，每隔一定的间隔取一个点，然后过0.22μm滤头，用二苯碳酰二肼显色法，在540nm处，用紫外可见分光光度计检测其样品的吸光度，根据吸光度计算Cr(VI)浓度，根据Cr(VI)浓度绘制时间-去除率曲线(参见图9去除率＝Ct/C0)，其中，Ct为取样时的浓度，C0为初始浓度。图9描述的是实际电镀废水六价铬还原影响图。由图可以发现，在六价铬与草酸物质的量比为1:3.3时，活性炭用量达到0.05g时，实际电镀废水与模拟废水去除呈现几乎一样的性能，2.5min内，可快速去除体系中的六价铬；同时体系的草酸去除也达到了90％，说明该方法在实际瞬时还原六价铬可行，具有实际应用潜力。
表1实际电镀含铬废水参数。
Figure BDA0003733271450000041
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Claims (9)

1.一种限域体系驱动六价铬瞬时还原的方法，其特征在于，包括如下步骤，取含Cr(VI)的水体置于反应容器中，加入活性炭和草酸，搅拌条件下处理；所述活性炭孔径为0.5～1nm。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述草酸的浓度为3.8～6.3mM。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，处理体系中，Cr(VI)的浓度为10～300mg/L。
4.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述处理体系中，Cr(VI)的浓度为100mg/L。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述活性炭用量0.5～2g/L。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述草酸与六价铬摩尔比为2:1～3.3:1。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述草酸与六价铬摩尔比为3.3:1。
8.如权利要求1所述方法，其特征在于，搅拌转速为200～800rpm。
9.如权利要求1所述方法，其特征在于，反应时间为2.5～20min。
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