零价铁电化学法处理地下水中的六价铬

梁晶 王磊

摘   要：铬对人体有很大的危害，其中以六价铬为最。工业生产所排放的六价铬进入到地下水后，给地下水的环境造成了很大的污染，也危害人们的健康。采用零价铁电化学法处理地下水中的铬，通过在反应器中投加零价铁实现氧化还原反应，通过改变pH、温度、零价铁的投加量以及反应时间来发现对地下水中六价铬的最佳去除效率。试验结果显示，当溶液的pH在2～8，温度在16～42 ℃，零价铁的投加量为0.02～0.08 mg/L，利用零价铁电化学法去除水中的六价铬效率最高。

关键词：零价铁;电化学法;地下水;六价铬

中国是世界上生产铬盐最多的国家之一，每年有大量的铬渣和含铬废液通过各种渠道进入到地下水中。铬渣中含有水溶性Cr（Ⅵ）和铬酸钙。由于缺乏积累技术，铬渣不能被第一次处理，导致铬渣长期积累[1]。在降雨过程中，Cr（Ⅵ）随雨水缓慢渗入地下水，造成地下水污染，影响当地居民的安全，且Cr（Ⅵ）在碱性地下水中存在稳定的溶解状态，具有良好的迁移能力[2]，对生态环境造成极大危害。同时，Cr（Ⅵ）化合物易被人体吸收，会刺激皮肤和消化道，并可在人体内积累，从而导致癌症[3]。因此，地下水中的六价铬亟需科学的方法进行处理，以保护人民生命安全和良好的生态环境。

1    实验仪器及材料

零价铁、硫酸铬、无水乙醇、重铬酸钾、二苯碳酰二肼、七水合硫酸亚铁等;紫外分光光度计、电化学工作站、精密pH计、磁力搅拌器、超声波反应器、恒温水浴槽、鼓风干燥器、电子分析天平、紫外灯等。

2    实验过程

实验采用2.5 L的有机玻璃柱作为反应装置（见图1），该反应装置底部放置石英砂，并配制10 mg/L重铬酸钾水溶液放入，模拟地下水环境。该电化学反应装置的正极和负极材料均采用较薄的铁板。电化学装置的两极与电化学工作站相连，利用电化学工作站调控施加电压。在直流电的影响下，阳极会持续溶解先产生Fe（II），然后迅速被重铬酸钾氧化为Fe（III），而Cr（Ⅵ）则被还原成Cr（III）。

3    实验结果与讨论

3.1  pH对Cr去除率的影响

1个大气压下，当恒温振荡器转速为300 r/min，零价铁用量为0.06 g/100 mL时，设置温度为 25 ℃，配制六价铬的初始质量浓度为10 mg/L，研究了pH在3、5、7、9时对六价铬去除效率的影响，实验结果如图2所示。由图2可见，不同pH对六价铬的去除效率也不相同。pH<7时，有利于Cr（Ⅵ）还原为低价态，pH>7时，对Cr（Ⅵ）的还原效果比较差。这是因为pH较低时，铁会发生电化学反应，生成比较多的H+和Fe2+，有利于Cr（Ⅵ）的还原，同时，不利于氢氧化铁生成，使pH不再提高[4];而pH>7时，氢氧根离子会和铁离子生成氢氧化物覆盖掉表面，从而降低了内部零价铁的还原率。可见，pH较低有利于Cr（Ⅵ）还原生成低价态。

3.2  温度对Cr去除率的影响

在一个大气压下，设置恒温振荡器的转速为300 r/min，pH为5，配制Cr（Ⅵ）的初始质量浓度为10 mg/L，并將零价铁的投加量设置为0.08 g/100 mL，探讨温度为10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃时对Cr（Ⅵ）还原效果的影响，结果如图3所示。由图3可知，Cr（Ⅵ）去除率随着反应温度的升高而升高。当温度在25 ℃时，Cr（Ⅵ）的去除率达到95.4%，当温度大于35 ℃时，Cr（Ⅵ）还原效果并不明显。这是由于零价铁与Cr（Ⅵ）的氧化还原反应是吸热的，高温会促进零价铁和Cr（Ⅵ）的氧化还原反应，但三价铬在吸附过程中又会释放热量[5]，所以，高温又不利于进行吸附反应。因此，温度对Cr（Ⅵ）的还原效率影响并不大。

3.3 零价铁的投加量对Cr去除率的影响

在一个大气压下，设置恒温振荡器的转速为300 r/min，pH为5，配制Cr（Ⅵ）的初始质量浓度为10 mg/L，同时，设置温度为25 ℃，考察了零价铁的投加量为0.02 g/100 mL、0.04 g/100 mL、0.06 g/100 mL、0.08 g/100 mL、0.10 g/100 mL时对Cr（Ⅵ）去除效率的影响，结果如图4所示。由图4可知，随着零价铁用量增加，Cr（Ⅵ）的还原速率增快。反应时间为130 min，零价铁投加量为0.02 g/100 mL时，Cr（Ⅵ）的还原效率只有40.6%，随着零价铁投加量的增加，去除率不断增高，当投加量为0.10 g/100 mL时，Cr（Ⅵ）还原率达到了75%，此后随着投加量增加，去除效率变化不大。这是因为铁粉和六价铬发生氧化还原反应，因此，零价铁投加量越多，反应速度就越快[6-7]。此外，由实验结果可知，零价铁与活性炭共同使用时，零价铁的投加量越大，对Cr（Ⅵ）的去除效果就会越好。

3.4  反应时间对Cr去除率的影响

配制Cr（Ⅵ）的初始质量浓度为10 mg/L，在一个大气压下，设置恒温振荡器转速为300 r/min，在pH为5、25 ℃的反应条件下，零价铁的投加量为0.08 g/100 mL时，考察了反应时间为5 min、10 min、15 min、20 min、25 min时对铬去除率的影响，结果如图5所示。由图5可知，随着反应时间的延长，六价铬的去除效率也提高，当反应时间为25 min时，铬的去除效率最高，达到68%。由此可知，反应时间越长，六价铬的去除效率也就越高。

4    结语

本课题研究了pH、零价铁投加量、反应温度、反应时间对Cr（Ⅵ）去除效率的影响，通过实验可知：pH大于7时，零价铁的还原速率会降低;在35 ℃时，零价铁和六价铬反应效率最高，但温度再升高时，反应变化不明显;零价铁投加量越大，Cr（Ⅵ）的去除率越高;在pH为5、温度为25 ℃、一个大气压、恒温振荡器转速为300 r/min、零价铁的加入量为0.08 g/100 mL的条件下，Cr（Ⅵ）的去除率大于90%;随着反应时间的延长，Cr（Ⅵ）的去除效率也会提高。

[參考文献]

[1]刘芮彤.地下水污染修复技术的研究综述[J].城市地理，2016（14）：96.

[2]黄   卫.简述地下水修复技术的方法和发展趋势[J].城市地理，2016（14）：105.

[3]佘亦昕.我国地下水污染防治与建议[C]//武汉：新形势下环境法的发展与完善—2016年全国环境资源法学研讨会（年会），2016：4.

[4]刘志阳.地下水污染修复技术综述[J].环境与发展，2016，28（2）：1-4.

[5]张   青.我国地下水污染治理资金来源途径探讨—美国超级基金制度之启示[J].环境卫生工程，2016，24（2）：87-89.

[6]GILLHAM R W.Enhanced degradation of halogenated aliphatics by zero-valent iron[J].Ground Water，1994，32（6）：958-967.

[7]范   宇，谢世红，李任政，等.地下水污染环境影响模拟与预测[J].上海国土资源，2016，37（1）：86-89.

Treatment of hexavalent chromium in groundwater by zero-valent iron electrochemical

Liang Jing， Wang Lei

（School of Biology and Environment， Nanjing Polytechnic Institute， Nanjing 210048， China）

Abstract：Chromium， especialy hexavalent chromium is very harmful to the human body.After the hexavalent chromium discharged by industrial production enters the groundwater， it causes great pollution to the environment of the groundwater and also endangers peoples health. In this paper， zero-valent iron electrochemical method is used to treat chromium in groundwater. By adding zero-valent iron to the reactor to achieve electro-oxidation and reduction， the pH value， temperature， amount of zero-valent iron added， and reaction time are used to find the  optimal removal efficiency of hexavalent chromium in groundwater. The test results show that when the pH of the solution is in the range of 3～9 and the temperature is in the range of 16～42 ℃， the dosage of zero-valent iron is 0.02～0.08mg/L， zero-valent iron electrochemistry is the most efficient methocl to remove hexavalent chromium from water.

Key words：zero-valent iron; electrochemistry; groundwater; hexavalent chromium