本發明專利技術提出了一種將利用電場、磁場協同強化零價鐵還原，并結合電化學氧化、凝聚、吸附等作用聯合去除水中重金屬、有機污染物的方法。本發明專利技術在陰、陽極兩端施加直流電形成電場，在陰、陽極之間引入零價鐵，在垂直于電場的方向上設置永磁鐵提供磁場，水中污染物流經反應器與水中零價鐵發生反應，實現水的凈化。本發明專利技術的技術原理是將零價鐵置于同時存在直流電場與磁場的體系中，在常規的零價鐵化學腐蝕的基礎上，通過電場與磁場的協同強化其電化學腐蝕作用，提高其給電子能力和還原能力，加速腐蝕產物從材料表面的解離與脫附，避免由于腐蝕層在零價鐵表面沉積而導致的處理效果下降的問題。同時，本發明專利技術還提供了實現上述過程的一體化反應器。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種強化零價鐵還原去除污染物的方法，屬于水處理技術的應用領域。本專利技術提出了一種將利用電場、磁場協同強化零價鐵還原，并結合電化學氧化、凝聚、吸附等作用聯合去除水中重金屬、有機污染物的方法。具體而言，本專利技術在陰、陽極兩端施加直流電形成電場，在陰、陽極之間引入零價鐵，在垂直于電場的方向上設置永磁鐵提供磁場，水中污染物流經反應器與水中零價鐵發生反應，實現水的凈化。本專利技術還提供了實現上述過程的一體化反應器。技術背景重金屬廢水、高濃度有機廢水的處理一直是環境領域處理的技術難題之一，而工業廢水排放標準的提高、工業企業或園區零排放的要求也對工業廢水處理技術和設備提出了更高要求。氧化-還原過程是去除無機污染物(例如砷、銻、鉻、硝酸鹽、硒酸鹽等)和有機污染物(如硝基苯、氯代有機物等)中常用的方法，而零價鐵以其價廉、安全、易得、高效等優勢在水處理中得到廣泛應用。零價鐵最早作為滲透性反應格柵(PRB)的填充材料用于地下水修復，并在近年來逐漸被用于飲用水或工業廢水處理中。例如，有研究者將鐵屑與粗砂裝填在過濾器中用于單戶或分散型的小規模水處理系統中用于水中砷的去除，結果顯示該過濾器可在相對較長的時間內穩定去除水中的砷。除了對砷具有較好去除效果之外，零價鐵對鉻(VI)、硒(VI)、汞(II)等重金屬以及硝酸鹽等污染物也有良好的去除效果。就有機物而言，利用零價鐵去除難降解有機廢水、垃圾滲濾液等極難處理的工業廢水或利用其進行地下水原位修復，同樣具有較好的技術經濟可行性。此外，有研究者將零價鐵填充在厭氧反應器中以提高厭氧處理效果(如一種厭氧內置零價鐵反應器耦合人工濕地的低濃度廢水處理工藝，2014101721799；一種基于零價鐵耦合厭氧氨氧化高效處理含氮廢水的方法，2014104949877)。零價鐵的活性首先來源于單質鐵的給電子能力，從而可以還原有機或無機污染物。此外，零價鐵氧化之后生成二價鐵(Fe(II))，并可能在溶解氧或其他氧化物種的作用下進一步生成三價鐵(Fe(III))。零價鐵發生上述反應將導致pH值升高，且表面形成腐蝕層之后反應效率大幅下降。當零價鐵作為填料裝填在固定床反應器中時，由于表面腐蝕作用往往可能導致填料床板結，難以長期穩定發揮凈化功能。為了提高零價鐵反應效率和利用率，有不少研究者研制了納米尺度的零價鐵，也有人提出將零價鐵與其他組分進行復合形成復合型零價鐵(如復合型納米零價鐵顆粒，CN104827028A；有序介孔碳負載納米零價鐵復合材料的制備方法，201310176302X)。此外，通過優化零價鐵的應用方式，在一個反應器中完成零價鐵還原、絮凝、沉淀等過程，也可大幅提高零價鐵利用效率、降低處理成本，并有效避免填料床板結的問題。針對零價鐵表面腐蝕層的問題，關小紅等提出利用磁場對零價鐵進行預處理和表面再生，之后再應用于水處理與污染凈化，可有效避免由于零價鐵腐蝕鈍化而導致的反應活性下降的問題(一種磁場預處理提高零價鐵反應活性的水和廢水凈化方法，2013102435889；前置弱磁場反應器的兩段式零價鐵除Cr(VI)的方法，201310269774X)。光、電、聲、磁、波等物理場是水處理與環境工程領域常用的強化凈化過程的方法。電場以其效率高、易于實現自動控制、綠色清潔等優勢而得到廣泛應用，而采用永磁體提供的磁場基本不需要能耗，運行成本很低。本專利技術提出了利用電場、磁場耦合以協同強化零價鐵凈化污染物、抑制表面腐蝕層生成、維持零價鐵表面活性的技術方法，并提供了實現上述過程的一體化反應器。
技術實現思路
本專利技術針對零價鐵處理污染物過程中存在腐蝕效率難以控制、運行一定時間后由于表面鈍化而活性大幅下降、零價鐵利用效率偏低等不足，提出綜合利用電場與磁場強化的零價鐵凈化污染物的方法。本專利技術通過電、磁場協同可有效提高零價鐵凈水效果，克服傳統零價鐵表面腐蝕鈍化而導致活性下降、零價鐵填料床板結等不足，并大幅提高零價鐵利用效率。零價鐵凈化污染物的作用主要歸因于其給電子的還原能力，上述過程中伴隨著Fe(0)向Fe(II)和Fe(III)的轉化，也就是零價鐵腐蝕過程。零價鐵腐蝕一般通過化學腐蝕作用得以完成，其缺點在于不易控制、難以強化、容易板結、易于在零價鐵表面形成穩定的腐蝕層，上述因素大幅限制其凈水作用的發揮。本專利技術的技術原理是：將零價鐵置于同時存在直流電場與磁場的體系中，在常規的零價鐵化學腐蝕的基礎上，通過電場與磁場的協同強化其電化學腐蝕作用，提高其給電子能力和還原能力，加速腐蝕產物從材料表面的解離與脫附，避免由于腐蝕層在零價鐵表面沉積而導致的處理效果下降的問題。為了達到上述目的，本專利技術采取如下技術方案：(1)設置直流電源；(2)在電解槽中設置陰、陽極，當通電時形成電場；(3)在垂直于電場的方向上設置永磁體或電磁體提供磁場；(4)在反應器中引入零價鐵，所述的零價鐵可以是懸浮態鐵粉、填充態鐵顆粒或者零價鐵板。待處理水流經反應器，零價鐵在化學腐蝕、電化學腐蝕、電場感應、磁場感應以及電磁場感應等作用下發生給電子作用將污染物還原，而自身被氧化生成亞鐵；(4)亞鐵在溶解氧氧化、電化學氧化等作用下轉化為三價鐵，進一步發揮混凝、吸附等作用；(5)利用電場感應、磁場感應以及電磁場感應的作用下，加速亞鐵離子從零價鐵表面解離脫附，避免三價鐵在零價鐵顆粒表面沉積，從而減緩其抑制零價鐵還原能力的作用。零價鐵在反應器中可以是懸浮態顆粒、填充態顆粒或鐵板中的一種或大于一種以上的組合。當零價鐵為懸浮態時，反應器為完全混合反應器；當零價鐵為填充態的顆粒時，反應器為固定床反應器；當零價鐵為鐵板時，陰、陽極之間的電極采用鐵板，為感應電極。對于完全混合反應器中，利用水力、機械或氣體攪拌的形式實現零價鐵懸浮態；采用的氣體可以是空氣、氧氣、氮氣等。最外側的陰、陽電極的材料可以是鈦遼網、活性炭纖維、金剛石、導電玻璃或石墨；中間的電極材料除了是上述幾種中的一種或一種以上的組合，當零價鐵為鐵板，中間的極板采用鐵板電極。反應器極板間距為5-20mm；最外側陰、陽極分別置于電解槽兩端，中間的極板可以作為感應電極不連接電源，也可以是工作電極依次間隔分別與電源陰、陽極連接；但當零價鐵采用鐵板時，則中間的極板不與電源連接。所述的電源是直流電源，提供電流范圍為10mA～100mA，電流密度在0.1mA/cm2～10mA/cm2。直流電源的電流可根據體系pH值的變化調整，當pH在2-3時，電流范圍為10～20mA；當pH值在3-4時，電流范圍為20～50mA；當pH在4-6時，電流范圍為50～70mA；當pH在6-8時，電流范圍為70～90mA；當pH在8以上時，電流范圍為90～100mA。直流電源的陰、陽極每隔5～30min進行倒極操作。當采用永磁體提供磁場時，磁場強度范圍為0.01～0.3T，所述的永磁體材料可以是銅鎳鐵、鐵鈷鉬、鐵鈷釩、錳鉍、釹鐵硼、釤鈷、鋁鎳鈷或鐵氧體；當采用電磁體提供磁場時，磁場強度范圍為0.31～1.0T。本專利技術還提供了實現上述過程的反應器。該反應器中包括電極(陰極、陽極)、電解槽、曝氣裝置等單元。此外，一體化反應器中還包括直流電源和磁鐵，電解槽與陰極、陽極之間分別以金屬導線連接。本專利技術提出的基于電場強化的零價鐵凈水方法具有以下優點：1.將零價鐵置本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于電磁場強化的零價鐵凈水方法，其特征在于，將零價鐵置于同時具有直流電場和磁場的反應器中，利用電場與磁場協同作用強化零價鐵化學腐蝕以提高凈水效果；所述的零價鐵可以是鐵粉、鐵屑、納米零價鐵、負載型零價鐵或零價鐵板；當所述的零價鐵是鐵粉、納米零價鐵或負載型零價鐵時，零價鐵在反應器中為懸浮態，所述的反應器為完全混合反應器；當所述的零價鐵是鐵屑時，零價鐵在反應器中為填充態，所述的反應器為固定床反應器；當所述的零價鐵為零價鐵板時，零價鐵在反應器中為電極板，所述的反應器為極板型反應器。
【技術特征摘要】
1.一種基于電磁場強化的零價鐵凈水方法，其特征在于，將零價鐵置于同時具有直流電場和磁場的反應器中，利用電場與磁場協同作用強化零價鐵化學腐蝕以提高凈水效果；所述的零價鐵可以是鐵粉、鐵屑、納米零價鐵、負載型零價鐵或零價鐵板；當所述的零價鐵是鐵粉、納米零價鐵或負載型零價鐵時，零價鐵在反應器中為懸浮態，所述的反應器為完全混合反應器；當所述的零價鐵是鐵屑時，零價鐵在反應器中為填充態，所述的反應器為固定床反應器；當所述的零價鐵為零價鐵板時，零價鐵在反應器中為電極板，所述的反應器為極板型反應器。2.根據權利要求1所述的基于電磁場強化的零價鐵凈水方法，其特征在于，所述的反應器包括以下部分：(1)直流電源；(2)電解槽；(3)陰極；(4)陽極；(5)磁體；(6)零價鐵；(7)曝氣裝置。3.根據權利要求1或2所述的基于電磁場強化的零價鐵凈水方法涉及的反應器，其特征在于，所述的磁體可以是永磁體或電磁體，磁體垂直于磁場方向設置；當所述的磁體為永磁體時，磁場強度范圍為0.01～0.3T，永磁體材料可以是銅鎳鐵、鐵鈷鉬、鐵鈷釩、錳鉍、釹鐵硼、釤鈷、鋁鎳鈷或鐵氧體；當所述的磁體為電磁體時，磁場強度范圍為0.31～1.0T；所述的直流電源提供的電流范圍為10mA～100mA，電流密度為0.1mA/cm2～10mA\...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉銳平，蘭華春，齊增祿，馬百文，劉會娟，曲久輝，
申請(專利權)人：中國科學院生態環境研究中心，
類型：發明
國別省市：北京;11
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