CN117138752A - 一种生物炭负载纳米零价铁制备方法及含铬废水处理系统 - Google Patents

一种生物炭负载纳米零价铁制备方法及含铬废水处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物炭负载纳米零价铁制备方法及含铬废水处理系统，属于含铬废水处理技术领域。本发明以稻壳生物炭为载体负载纳米零价铁，并利用负载型纳米零价铁进行两级处理含铬废水，实现对含铬废水的达标排放以及对固体废弃物的高效回收利用。首先，利用制备的负载型纳米零价铁对含铬废水进行处理，将其中的铬离子转化为无害的形态或沉淀物。接着，通过磁选单元分离处理后含铬的铁磁性废渣，利用还原冶炼技术经过精炼和熔炼处理，得到人造铬铁矿。制备的人造铬铁矿可以直接用于生产不锈钢、合金钢、耐火材料等工业产品，实现了对废水中含铬物质的综合利用。

Description

一种生物炭负载纳米零价铁制备方法及含铬废水处理系统
技术领域
本发明涉及含铬废水处理技术领域，具体涉及一种生物炭负载纳米零价铁制备方法及含铬废水处理系统，尤其是涉及将生物炭负载纳米零价铁用于处理含铬废水，并结合人造铬铁矿回收利用系统的方法。该系统可实现工业化生产，不仅能去除含铬废水中的重金属铬，还能回收利用含铬的铁磁性废渣。
背景技术
近年来，随着电镀、钢铁冶炼、化工生产等行业的兴起，大量的含铬废水被排放至环境中，对环境和人类健康造成了严重威胁。为了解决这一问题，各种技术和方法被广泛应用于含铬废水处理领域。常见的处理方法包括化学沉淀、离子交换、膜分离、生物降解等。然而，传统的处理方法存在一些局限性。例如，化学沉淀处理会产生大量的污泥，需要进一步处理和处置等。为了改善含铬废水处理效果，纳米级材料等新兴技术被引入。纳米材料具有较大的比表面积和特殊的吸附性能，可以高效地吸附和去除废水中的铬离子，提高含铬废水处理效果。
纳米零价铁作为一种新型环保型纳米材料，具有粒径小、反应活性强、比表面积大等优点，被广泛应用于去除废水中的各种重金属。但纳米零价铁在处理污染物时，在磁力、静电引力和范德华力的作用下，容易团聚形成大颗粒或链状结构易氧化和团聚，极大的降低了重金属的去除效率。因此制备稳定、分散、环保的负载纳米零价铁材料尤为重要。
诸多学者对此进行了研究，如Weng等使用膨润土负载纳米零价铁对废水中的铜吸附催化降解，其60min后的降解效率达到96％以上，较未负载型的纳米零价铁降解效率提高了70％。郭阳利用玉米秸秆生物炭负载纳米零价铁去除重金属污染的废水，其中，在35℃下Cr(Ⅵ)的去除率高达98％。由此可见，对于生物炭负载纳米零价铁去除重金属污染的废水具有很好的借鉴价值。
稻壳生物炭来源广泛、成本低廉，但是经过稻壳生物炭负载纳米零价铁处理含铬废水后，其固液混合液中的固体仍含有大量吸附铬的固体，这是因为稻壳生物炭负载纳米零价铁对废水中铬离子的吸附作用并非完全可逆的现象。而吸附铬离子的固体对环境易造成二次污染。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明提供了一种生物炭负载纳米零价铁制备方法，克服了纳米零价铁易氧化、团聚成块的问题，以及对含铬废水中的重金属铬进行去除，能使含铬废水指标达到排放标准(总铬≤0.5mg/L，六价铬≤0.1mg/L)，有效地解决了技术背景中存在的问题。本发明还提供了一种低成本的含铬废水回收利用系统，利用系统中的磁选单元将含铬的铁磁性废渣分离出，并制得人造铬铁矿，实现固体废渣的再次利用，避免对环境产生二次污染。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种生物炭负载纳米零价铁制备方法，具体包括以下步骤：
S1、在高纯N2保护下，经脱氧过后的纯净水分别加入至盛有七水合硫酸亚铁和硼氢化钠容器中，搅拌溶解，分别制得FeSO4·7H2O溶液和NaBH4溶液；
S2、将NaBH4溶液加入到FeSO4·7H2O溶液中，持续曝气搅拌，出现黑色悬浊液，制得纳米零价铁；
S3、将由稻壳制得的生物炭，适量加入到步骤S2的溶液中，搅拌混合，让稻壳生物炭充分负载到纳米零价铁，即得稻壳生物炭负载纳米零价铁。
更进一步地，步骤S3中将稻壳生物炭用研磨机研磨成粉末，过60-100目筛，粒径<150μm，与FeSO4·7H2O等量加入到步骤S2的溶液中，将溶液调节至pH为4.0。
更进一步地，步骤S1中，NaBH4溶液通过恒压滴液漏斗，以150滴～200滴/秒的速度加入到FeSO4·7H2O溶液。
本发明的一种含铬废水处理系统，包括自动控制单元、原料制备单元、酸液储存单元，还原反应池、含铬废水池、一级处理池、二级处理池、含铬检测池、沉淀池、回收池；
所述自动控制单元连接原料制备单元、酸液储存单元，原料制备单元与还原反应池通过管道连接，酸液储存单元与还原反应池、含铬废水池通过管道连接；
还原反应池和一级处理池、二级处理池通过管道连通；含铬废水池与一级处理池通过管道连通；二级处理池与含铬检测池通过管道连通，含铬检测池同时连通沉淀池，沉淀池与回收池通过出水口连通。
更进一步地，所述的还原反应池和一级处理池、二级处理池连接的管道上设置第一泵体，该第一泵体采用气泵，如权利要求1-3任一项制备的稻壳生物炭负载纳米零价铁通过气泵，以气吹的方式分别输入到一级处理池和二级处理池中。
更进一步地，所述的一级处理池和二级处理池之间设置缓冲池，该缓冲池连接一级处理池的一端设置自动抽插挡板。
更进一步地，所述缓冲池内设置膜孔径范围为0.1-0.45μm的滤膜。
更进一步地，所述自动控制单元设置PLC控制器，所述还原反应池和含铬废水池设置pH监测装置，PLC控制器电性连接监测装置；所述含铬废水池设置ORP探头，该ORP探头控制加还原剂量。
更进一步地，所述的沉淀池底部设置有磁选器。
更进一步地，所述的含铬废水池与一级处理池的连通管道上设置抽吸泵，含铬检测池与二级处理池的连通管道上设置应急回流泵。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)稻壳生物炭来源广泛、成本低廉，具有较高的比表面积、丰富的官能团和更强的吸附多孔结构，本发明将纳米零价铁负载在稻壳生物炭表面，有效的防止了传统纳米零价铁团聚成块的现象，具有吸附效果好等优点。
(2)本发明所制备的稻壳生物炭负载纳米零价铁，具有孔隙大小均匀、活性位点多、成本低、操作方便、不易团聚、去除率高等优势。
(3)本发明利用稻壳生物炭负载纳米零价铁进行两级处理含铬废水，工艺流程简单、操作方便，自动化程度高，可以实现对含铬废水的高效去除，处理过后的含铬废水中的铬含量远远低于国家标准且无二次污染的产生，适合大量投入工业化生产。
(4)本发明提供的稻壳生物炭负载纳米零价铁对含铬废水的处理与回收利用系统中的磁选单元用于将含铬的铁磁性废渣分离出，制得人造铬铁矿，克服了市面上仅仅将含铬废水处理达到排放标准，而未能回收再利用重金属铬的缺陷，实现了从废物中提取有价值资源的目标。可实现工业化生产，具有广阔的应用前景和经济价值。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种生物炭负载纳米零价铁制备流程图；
图2为本发明实施例2提供的系统结构示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1，本发明制备生物炭负载纳米零价铁方法，步骤如下：
步骤1、在高纯N2保护下，脱氧过后的纯净水，分别加入到七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)和硼氢化钠(NaBH4)中；通过机械搅拌器搅拌溶解，分别制得FeSO4·7H2O溶液和NaBH4溶液。将NaBH4溶液通过恒压漏斗，以150滴/秒的速度加入到FeSO4·7H2O溶液中，通过氧化还原反应得到纳米零价铁，持续曝气搅拌，出现黑色悬浊液，制得纳米零价铁。
步骤2、将稻壳生物炭用研磨机将其研磨成粉末，过60-100目筛，粒径<150μm，与七水合硫酸亚铁等量加入到步骤1的溶液中，将溶液调节至pH为4.0，通过机械搅拌器充分混合，400r/min，让稻壳生物炭充分负载到纳米零价铁，即得稻壳生物炭负载纳米零价铁。
负载型纳米零价铁去除Cr(VI)的机理主要是吸附、还原和共沉淀，负载成功后，增加了复合材料的比表面积和吸附活性位点。本发明提供的稻壳生物炭负载纳米零价铁可用于去除含铬废水中的重金属铬，经过添加负载型纳米零价铁后，废水的pH值升高，可溶性有机碳和有效铁含量增加。这些变化使得废水中Cr(VI)与土壤结合的能力增强，从而降低了废水中的有效态铬含量，减少了Cr(VI)的生物毒性浓度，提高了废水细菌的丰富度和多样性。且本发明所制备的稻壳生物炭负载纳米零价铁具有原料易得、成本低、无明显的团聚现象、分散性更强、粒径更小、吸附效果好等优点，适合用于工业化材料量产。
实施例2
如图2所示，本实施例提供了一种低成本的稻壳生物炭负载纳米零价铁对含铬废水的处理与回收利用系统，包括自动控制单元、原料制备单元、酸液储存单元，还原反应池、含铬废水池、一级处理池、缓冲池、二级处理池、含铬检测池、沉淀池、回收池。
所述自动控制单元连接原料制备单元、酸液储存单元(存储盐酸)，原料制备单元与还原反应池通过管道连接，酸液储存单元与还原反应池、含铬废水池通过管道连接。还原反应池和一级处理池、二级处理池通过管道连通且管道设置第一泵体，第一泵体为气泵。气泵被用于将制备好的稻壳生物炭负载纳米零价铁通过气吹的方式分别输入到一级处理池和二级处理池中进行含铬废水的处理。
所述含铬废水池与一级处理池通过管道连通，且管道设置第二泵体，第二泵体为抽吸泵。
一级处理池与缓冲池一边设有自动抽插挡板，缓冲池与二级处理池的含铬废水进液管道连通，含铬废水进液管道与含铬检测池连通，含铬检测池设置第三泵体连接二级处理池，第三泵体为应急回流泵。含铬检测池同时连通沉淀池，沉淀池与回收池通过出水口连通。
所述自动控制单元设置PLC控制器，该控制器通过重量传感器对原料投加量进行实时监测和自动调节控制。在原料制备单元中，原料箱内装有称重器，可对原料的投加量进行精准控制和计量，保证原料的准确投加。同时，还原反应池和含铬废水池设置pH监测装置，实时监测还原反应池和含铬废水池内的pH值，并根据相应的pH值自动控制盐酸和还原剂水合肼的投加量。PLC控制器电性连接监测装置。
本实施例中通过监测pH值，使还原反应池稻壳生物炭负载纳米零价铁达到制备酸性条件。通过加入盐酸至pH＝4，同时，将含铬废水池的废液调制pH＝3，此时废水中的铬主要以Cr2O7 2-离子形式存在。pH调节后，在还原反应池中添加强还原剂水合肼，反应后生成的氮气和水均无污染，且能将剧毒的Cr(VI)完全还原为毒性较弱的Cr(III)，以便进行后续处理。
所述还原反应池正上方固定三个原料制备箱，还原反应池底部设置有管道与脱氧纯水箱连通，脱氧纯水以一定的速率流入池内。所述还原反应池内设置有搅拌轴与混料电机电性连接。
所述含铬废水池设置有ORP探头，以控制加还原剂量，使废水的ORP值在250-300mv，底部设有废水进液口并通过管道连接。
所述一级处理池和二级处理池顶部均固定有安装架，安装架固定安装有驱动电机，驱动电机的驱动端固定安装有第一转杆和第二转杆且贯穿于整个处理池，转杆固定连接有搅拌带。一级处理池和二级处理池通过安装驱动电机利用转杆不断对池内搅动，以加快反应速率，保证反应充分。
所述缓冲池内设有膜孔径范围为0.1-0.45μm的滤膜。该过滤膜采用高质量材料制造，具有较好的耐腐蚀性和耐高温性能。缓冲池一边设有自动抽插挡板，当一级处理池处理完全后，抽出挡板使废水经过滤膜进入二级处理池，滤膜可以有效地将一级处理池中的废水与稻壳生物碳纳米零价铁进行固液分离，从而实现对含铬废水的高效处理和净化。
所述含铬检测池的检测装置包括铬离子含量监测装置，可检测铬含量是否达到国家标准。
沉淀池内底部设置有磁选器，磁选器的主要工作原理是将含铬固液混合液中的废水与铬铁物质分离开来，从而生成人造再生铬铁矿。人造铬铁矿是一种高价值的资源，可以用于制造不锈钢、合金钢、耐火材料等工业产品。这种技术不仅可以实现对遗留固体废渣物的再次利用，而且还可以带来巨大的经济效益。此外，磁选器还具有高效、节能的特点。相较于传统的物理分离方法，利用磁性物质进行分离可以避免使用化学药剂，避免了药剂对水体造成的二次污染。磁选器的运行成本低，可以快速提取人造铬铁矿，节省了大量的时间和人力成本。高度自动化的特点，不需要人工干预，可以实现连续、稳定、快速的分离，提高了生产效率和产品质量。
本发明系统的工作过程如下：
在自动控制单元的控制下，原料制备单元进行稻壳生物炭负载纳米零价铁的制备。该制备过程中，七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、硼氢化钠(NaBH4)和稻壳生物炭分别被放置到原料桶中，并通过PLC控制器中的重量传感器对其进行称重，以确保等量原料进入还原反应池中(硼氢化钠通过恒压漏斗以一定的速率加入到FeSO4·7H2O溶液中)。酸液储存单元与还原反应池连通且管道设置提升泵，向还原反应池加入盐酸调整pH为4.0并持续进行搅拌，制得的稻壳生物炭负载纳米零价铁。通过管道和气泵装置分别投加到一级处理池和二级处理池。含铬废水通过含铬废水池的进水口进入，将预处理过后的含铬废水经第一含铬废水进液口进入一级处理池，通过搅拌杆持续搅动进行对重金属铬离子的吸附。经过一级处理池充分处理后，系统自动抽出挡板，过缓冲池中的滤膜进行过滤处理。将含铬废水经第二含铬废水进液口进入二级处理池，进入二级处理池对含铬废水再次进行重金属铬吸附处理。当二级处理池的混合液进入含铬检测池开始检测废水中铬的含量是否达到出水标准，若未达标，则通过管道上的应急回流泵进入二级处理池再次进行处理，以确保废水达到排放标准。达标含铬废水经第二含铬废水出液管道进入沉淀池，沉淀池底部设置有磁选模块，可以对处理后的固液混合液进行固液分离，分离出含铬的铁磁性废渣，进而制得人造铬铁矿，实现对遗留废渣固体的二次利用。
实施例3
结合图2，本实施例将磁选后的含铬废渣进行粉碎和磨矿处理，使其颗粒尺寸更加均匀细小，增加表面积。将经过粉碎和磨矿处理的含铬废渣与适量的还原剂(如焦炭)一起放入高温还原炉中进行冶炼。在还原条件下，铬会与铁发生反应生成铬铁合金，并同时还原其他杂质。经过冶炼反应后，从冶炼炉中得到的冶炼渣中含有铬铁合金。通过适当的分离工艺，将铬铁合金与冶炼渣分离开来。再进行进一步的精炼和熔炼处理，提高铬铁合金的纯度和质量。从而得到符合国家标准(GB/T5683-2008)的人造铬铁矿，实现固体废渣的再次利用，避免对环境产生二次污染。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物炭负载纳米零价铁制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、在高纯N2保护下，经脱氧过后的纯净水分别加入至盛有七水合硫酸亚铁和硼氢化钠容器中，搅拌溶解，分别制得FeSO4·7H2O溶液和NaBH4溶液；
S2、将NaBH4溶液加入到FeSO4·7H2O溶液中，持续曝气搅拌，出现黑色悬浊液，制得纳米零价铁；
S3、将由稻壳制得的生物炭，适量加入到步骤S2的溶液中，搅拌混合，让稻壳生物炭充分负载到纳米零价铁，即得稻壳生物炭负载纳米零价铁。
2.根据权利要求1所述的一种生物炭负载纳米零价铁制备方法，其特征在于：步骤S3中将稻壳生物炭用研磨机研磨成粉末，过60-100目筛，粒径<150μm，与FeSO4·7H2O等量加入到步骤S2的溶液中，将溶液调节至pH为4.0。
3.根据权利要求2所述的一种生物炭负载纳米零价铁制备方法，其特征在于：步骤S1中，NaBH4溶液通过恒压滴液漏斗，以150滴～200滴/秒的速度加入到FeSO4·7H2O溶液。
4.一种含铬废水处理系统，其特征在于：包括自动控制单元、原料制备单元、酸液储存单元，还原反应池、含铬废水池、一级处理池、二级处理池、含铬检测池、沉淀池、回收池；
所述自动控制单元连接原料制备单元、酸液储存单元，原料制备单元与还原反应池通过管道连接，酸液储存单元与还原反应池、含铬废水池通过管道连接；
还原反应池和一级处理池、二级处理池通过管道连通；含铬废水池与一级处理池通过管道连通；二级处理池与含铬检测池通过管道连通，含铬检测池同时连通沉淀池，沉淀池与回收池通过出水口连通。
5.根据权利要求4所述的一种含铬废水处理系统，其特征在于：所述的还原反应池和一级处理池、二级处理池连接的管道上设置第一泵体，该第一泵体采用气泵，如权利要求1-3任一项制备的稻壳生物炭负载纳米零价铁通过气泵，以气吹的方式分别输入到一级处理池和二级处理池中。
6.根据权利要求5所述的一种含铬废水处理系统，其特征在于：所述的一级处理池和二级处理池之间设置缓冲池，该缓冲池连接一级处理池的一端设置自动抽插挡板。
7.根据权利要求6所述的一种含铬废水处理系统，其特征在于：所述缓冲池内设置膜孔径范围为0.1-0.45μm的滤膜。
8.根据权利要求7所述的一种含铬废水处理系统，其特征在于：所述自动控制单元设置PLC控制器，所述还原反应池和含铬废水池设置pH监测装置，PLC控制器电性连接监测装置；所述含铬废水池设置ORP探头，该ORP探头控制加还原剂量。
9.根据权利要求4-8任一项所述的一种含铬废水处理系统，其特征在于：所述的沉淀池底部设置有磁选器。
10.根据权利要求9所述的一种含铬废水处理系统，其特征在于：所述的含铬废水池与一级处理池的连通管道上设置抽吸泵，含铬检测池与二级处理池的连通管道上设置应急回流泵。
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