一種液氮低溫處理商業鐵粉增強其還原去除汙染物能力的方法與流程
2023-04-25 22:06:31 1
本發明屬於環境化學領域，具體涉及水體中高價態有毒汙染物的控制和修復，適用於印染、工業、核工業等領域廢水的處理。
背景技術：
在當今21世紀，環境汙染一直是全世界人類面對的一大難題。過去幾十年的經濟發展一直伴隨著自然資源的過度開採和三廢的亂排亂棄等，導致了一系列生態環境惡化問題。比如癌症村的出現，畸形兒的增多，重大疾病的低齡化，生存環境的惡化等，使人們不得不關注與自己生生相息的環境問題。特別對廢水的治理問題，一直是科研工作者的研究重點。
零價鐵具有高還原性，環境友好的特點，二十年來廣泛用於廢水和汙染地下水的治理。其原理是利用零價鐵的還原性，在還原汙染物的同時，其本身部分或全部被氧化成氧化鐵。但是商業鐵粉在製備和儲存的過程中極易被氧化，覆蓋在鐵粉表面的氧化層抑制了內部電子向外傳輸的能力，導致其還原性能大大地減弱或消失。為了去除其表面的氧化鐵，常常採用酸洗(agrawal,a.,etal.environ.sci.technol.1996,30(1),153-160)，還原劑還原(liou,y.h.,etal.j.hazard.mater.2005,126(1-3),189-194)和超聲剝離(hung,h.m.,etal.environ.sci.technol.2000,34(9),1758-1763)等，這些處理方法的原理是用酸溶解氧化層，用還原劑還原氧化層，或物理方法把氧化層剝離掉。雖然這些方法在一定程度上提高了鐵粉還原去除汙染物的能力，但也存在著處理鐵粉過程中帶來的二次汙染，同時也存在著耗時耗能的弊端。
本研究的目的是尋求一種簡單易操作，無汙染，耗能低的物理方法，大幅度提高鐵粉的還原性。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術商業鐵粉還原去除汙染物活性低的問題，提供一種操作簡單，無汙染的液氮低溫處理商業鐵粉增強其還原去除汙染物能力的方法。本發明解決了由於商業鐵粉表面氧化層的存在導致其還原能力差的問題，經液氮低溫處理後的商業鐵粉對於水體汙染物的去除具有高效、環境友好、無二次汙染等優點。
本發明為解決上述提出的問題所採用的技術方案為：
一種液氮低溫處理商業鐵粉增強其還原去除汙染物能力的方法，其特徵在於：將商業鐵粉驟冷處理，得到還原去除汙染物能力增強的商業鐵粉。驟冷處理使鐵粉表面的氧化層驟冷開裂，暴露出內部(底層)的活性零價鐵。
按上述方案，所述的驟冷處理是將商業鐵粉置於液氮中浸泡處理。
按上述方案，所述的驟冷處理時間為10-30min，一般以處理時間20min為最佳。
按上述方案，所述驟冷處理是將商業鐵粉置於裝有液氮的杜瓦瓶內浸泡，之後將杜瓦瓶內多餘的液氮倒回液氮瓶內回收利用，待殘餘的液氮揮發完，倒出鐵粉，在氮氣保護下烘乾。
按上述方案，所述的商業鐵粉的顆粒大小，形貌和存放時間無要求。
按上述方案，所述的汙染物包括但不限於六價鉻，溴酸鹽，鈾醯離子。能被鐵粉還原去除的汙染物都可以在液氮處理後的鐵粉強還原作用下去除效果進一步加強。
一種利用商業鐵粉還原去除汙染物的方法，將商業鐵粉按照上述方法驟冷處理後得到還原去除汙染物能力增強的商業鐵粉，然後將其加入到汙染物中，進行汙染物的去除。
按上述方案，所述去除汙染物體系中鐵粉用量為5-25g/l，汙染物濃度為2-20mg/l。採用搖床震蕩的方式去除汙染物，目的使汙染物和鐵粉充分接觸。如若不進行震蕩，也可以取得較好的效果。
由於商業鐵粉在製備和儲存的過程極易發生吸氧析氫反應，使其表面覆蓋一層納米級厚度的氧化鐵，鐵粉內部的電子難以傳輸到鐵粉表面參與反應，導致商業鐵粉的還原能力很弱。本發明對商業鐵粉進行驟冷處理，其表面的氧化鐵與內部零價鐵的熱膨脹係數有顯著區別，因驟冷而開裂，暴露出底層的零價鐵。因此暴露的零價鐵利於電子快速轉移到鐵粉表面去高效還原汙染物。該方法解決了目前商業鐵粉處理汙染物活性低的問題，有望在環境汙染治理方面得到廣泛應用。經過廣泛的文獻調研，我們發現目前尚無關於液氮處理鐵粉提高其還原性能的報導。
本發明的技術原理(見圖1)：
由於商業鐵粉極易被氧化，其表面被一層氧化鐵膜覆蓋。鐵粉內部的電子難以傳輸到鐵粉表面參與反應，導致商業鐵粉的還原能力很差。本發明利用零價鐵和其表面氧化鐵的熱膨脹係數不同，在驟冷處理如從室溫到液氮(零下196℃)的急劇降溫中，鐵粉表面的氧化層因驟冷而開裂，暴露底層的活性零價鐵(見圖2)，電子就很容易地轉移到鐵粉表面參與到化學反應中去，從而解決商業鐵粉活性差的問題。實現了環境友好，無二次汙染徹底去除汙染物的目的。
本發明的優點在於：
1、本發明提供的商業鐵粉的處理方法相對於其它化學或物理方法而言，簡便易行，具有高效、無汙染及環境友好的特點。解決了目前商業鐵粉處理汙染物活性低的問題，有望在環境汙染治理方面得到廣泛應用。
2、這種液氮低溫處理商業鐵粉的方法簡單，易操作，能耗低，無汙染，可批量生產。
3、液氮易製備，液化溫度低，易獲得。
附圖說明
圖1液氮低溫處理鐵粉原理圖；
圖2商業鐵粉(200目)及其液氮低溫處理後的掃描電鏡圖：a,b,c為商業鐵粉(cfe)掃描電鏡圖，d,e,f為液氮低溫處理20min的商業鐵粉(lnfe)掃描電鏡圖；
圖3實施例1液氮低溫處理不同粒徑鐵粉治理汙染水體中六價鉻效果圖；
圖4實施例2液氮低溫處理200目鐵粉治理水體中溴酸鹽效果圖；
圖5實施例3液氮低溫處理100目鐵粉治理核工業廢水中鈾醯離子效果圖；
具體實施方式
下面通過具體實施案例來詳細說明本發明的發明內容，所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
實施例1液氮低溫處理不同粒徑鐵粉治理汙染水體中六價鉻效果圖
將粒徑分別為100目，200目，400目的商業鐵粉1g倒入含1.0l液氮的杜瓦瓶內，鐵粉受重力作用一直沉在杜瓦瓶底部，浸泡10min後將多餘的液氮倒入液氮瓶回收利用，待殘餘的液氮揮發完，將鐵粉倒出並在氮氣保護下50度烘乾，即液氮處理的商業鐵粉(lnfe)。用六價鉻濃度為2mg/l的重鉻酸鉀水溶液20ml模擬鉻廢水，加入液氮低溫處理的商業鐵粉(lnfe)0.1g，放入轉速為200rpm/min搖床，定期取樣，分光光度法測六價鉻濃度。同時以對應的商業鐵粉(cfe)為對照試驗，結果見圖3。反應120min，液氮處理不同粒徑的鐵粉都能快速實現六價鉻的完全去除，而對應未液氮處理的鐵粉去除六價鉻的效果很差，都僅為10％。說明液氮處理不同粒徑的鐵粉都能提高鐵粉還原去除六價鉻的能力。
實施例2液氮低溫處理200目鐵粉治理水體中溴酸鹽效果圖
將2g粒徑為200目的商業鐵粉，放入含1.0l液氮的杜瓦瓶內浸泡20min後，倒出鐵粉，在氮氣保護下烘乾。用2mg/l的溴酸鹽水溶液20ml模擬含溴酸鹽的廢水，加入液氮低溫處理的商業鐵粉(lnfe)0.5g，放入轉速為200rpm/min搖床。定時取樣，用陰離子色譜測其濃度，同時以商業鐵粉(cfe)為對照試驗，結果見圖4。反應180min，液氮低溫處理的商業鐵粉lnfe去除溴酸鹽速率達到了100％，而商業鐵粉(cfe)去除率為13％。
實施例3液氮低溫處理100目鐵粉治理核工業廢水中鈾醯離子效果圖
將5g粒徑為100目的商業鐵粉放入含1.0l液氮的杜瓦瓶內浸泡60min後，倒出鐵粉，在氮氣保護下烘乾。用20mg/l的鈾醯水溶液20ml模擬核工業廢水，加入液氮低溫處理的商業鐵粉(lnfe)0.2g，放入轉速為200rpm/min搖床，定時取樣並測鈾醯濃度，結果見圖5。反應50min，液氮低溫處理的商業鐵粉lnfe去除鈾醯離子的速率達到了100％，而商業鐵粉(cfe)去除率為35％。