CN107473321A - 一种可渗透反应墙活性材料及其制备方法 - Google Patents

一种可渗透反应墙活性材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可渗透反应墙活性材料及其制备方法，涉及污染地下水修复领域,适于处理酸性条件下含多种重金属离子废水。所述的可渗透反应墙活性材料，按重量百分比包括以下组分：铝粉20‑40％；铁粉20‑40％；活性炭30‑40％；沸石5‑10％；并且上述各组分之和为100％。本发明将铝粉、铁粉、活性炭和沸石按特定比例进行混合，在可渗透反应墙负载后，可同时去除酸性水体中多种重金属离子(Cr(VI)、Cd2+、Cu2+、Zn2+)的废水，活性材料的有效期是单一零价铁作为活性材料的有效期的2‑3倍；因此，本发明在多种重金属废水修复领域有极大的应用前景。

Description

一种可渗透反应墙活性材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及污染地下水修复领域，具体地，涉及一种处理酸性条件下含多种重金属离子的污染地下水的可渗透反应墙活性材料及其制备方法。
背景技术
随着我国城市化进程的加快和工业的迅猛发展，特别是矿产资源的开采、冶炼等环节的不断推进，重金属对地下水的污染日益严重，污染程度不断加剧，由于重金属不能被微生物降解，且具有生物累积性导致地下水重金属污染治理难度非常大。因此对多种重金属污染废水的修复是一个巨大的难题和挑战。
可渗透反应墙技术是近年来迅速发展的一种污染地下水的原位修复技术，通过在受污染地下水流经的方向建造由活性材料组成的反应墙，通过活性材料的吸附、沉淀、化学降解或生物降解等作用去除地下水中的污染物。可渗透反应墙技术克服了传统地下水净化方法的许多弊端，具有处理效果好，无需外加动力，节省地面空间，比抽取技术更为经济、便捷等优点。欧美等国已进行了大量该方法的工程研究及试验研究，并已开始投入商业应用，迄今为止在北美和欧洲已经建立安装了200座以上的可渗透反应墙。
可渗透反应墙技术在应用中最重要的考虑因素就是它的长期有效性，而如何选取合理有效并且费用低的活性材料更是重中之重。目前，世界范围已运行的可渗透反应墙活性材料大部分采用零价铁，应用其他材料的很少。零价铁化学性质活泼，其电极电位为-0.43V，具有较强的还原能力。但零价铁可渗透反应墙也存在一定的局限性，比如零价铁反应墙在安装初期的重金属去除率高达99.5％以上，效率过高，一定程度上降低了可渗透反应墙的长期有效性。
而铝元素在自然界中的含量仅次于氧和硅，是含量最丰富的金属元素。此外，零价铝与零价铁的物化性质相似，零价铝的还原电位为-1.662V，比零价铁的还原电势更低，使得零价铝具有更强的电子转移能力，然而，在实际应用中由于零价铝在空气条件下就很容易钝化形成致密的氧化层，所以它的使用也有一定的局限性。但是在污染地下水呈酸性时，氧化层会被缓慢的腐蚀掉，还原能力会被逐渐释放出来。
因此，在活性材料体积一定时，采用零价铝与零价铁混合的方法可以使得活性材料初期以零价铁的还原作用为主，去除效率合理，零价铝在酸性作用下逐渐释放还原能力，以此延长活性材料的有效期。
发明内容
本发明的目的在于克服零价铁处理酸性重金属废水时综合处理效率低的缺陷，提供一种综合处理效率高、有效期更长的可渗透反应墙活性材料及其制备方法，适于处理酸性条件下含多种重金属离子废水。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种可渗透反应墙活性材料，按重量百分比由以下组分组成：铝粉20-40％；铁粉20-40％；活性炭30-40％；沸石5-10％，并且上述各组分之和为100％。
所述铝粉是指通过可变电流激光离子束气相法制备得到的零价铝粉，产品纯度高，粒度分布均匀，比表面活性高，零价铝粉中Al含量大于等于99wt％，其表面通常存在十分惰性的氧化层(A1203)，这一定程度上阻碍了零价铝的还原性能，通常用作化工催化剂、铝热剂、电子材料等。铁粉是指尺寸小于1mm的铁的颗粒集合体，主要用于处理污水中的有机物和重金属。
所述沸石多呈似放射状板片集合体微形态，而在孔隙发育处，可形成具完好或部分完好几何形态的板块晶体，主要用于处理污水中的重金属和氨氮。所述沸石优选为斜发沸石，。斜发沸石是沸石族中含水的钠、钾、钙的铝硅酸盐矿物，对氨氮的处理效果更好。优选地，所述斜发沸石中铝硅含量>95wt％，铝硅含量是指铝元素和硅元素的质量百分比之和。在该优选条件下，能够更有效地去除污水中的重金属。
所述活性炭是指黑色粉末状或颗粒状的无定形碳，主要用于处理污水中的有机物和悬浮物。所述活性炭的充填密度优选为0.5-0.55g/m3，粒径优选为10-24目。
所述可渗透反应墙活性材料的上述四种组分在特定的配比下所形成的混合物，在作为可渗透反应墙活性材料时，能够延长反应墙体去除酸性废水中重金属的有效性，大大延长了活性材料的更换周期，节约成本。
所述还原铁粉由四氧化三铁在高热条件下在氢气流或一氧化碳气流中还原生成，主要成分为结构疏松的单质铁。优选地，所述还原铁粉中Fe含量≥98wt％，以进一步提高对重金属的处理效率。
本发明还提供一种所述可渗透反应墙活性材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照重量百分比称取各组分：铝粉20-40％；铁粉20-40％；活性炭30-40％；沸石5-10％，并且上述各组分之和为100％；
(2)将各组分混合，利用搅拌设备在80-100r/min的转速下混合10min，形成混合物料。
上述制备方法中的转速和混合时间会对产品的性能造成影响。在上述条件下，所形成的混合物能够有最好的空间结构及混合比例，达到最佳的处理效果。
本发明具有的优点在于：
与现有技术相比，本发明将铝粉、铁粉、沸石和活性炭按特定比例进行共混，以提高材料对酸性水体中重金属的综合处理效率，延长活性材料的有效期，降低产品的生产和建设成本，加强市场竞争力度。
具体实施方式
以下实施例和对比例中的原料为具有以下特征的原料：
本发明提供一种可渗透反应墙活性材料，按重量百分比由以下组分组成：铝粉20-40％；铁粉20-40％；活性炭30-40％；沸石5-10％，并且上述各组分之和为100％。
所述铝粉为零价铝粉，具体为银灰色结构疏松的单质铝粉末，Al含量≥wt99％，平均粒径为800nm，比表面积为2.0m2/g，体积密度为1.50g/cm3。
所述还原铁粉为灰黑色结构疏松的单质铁粉末，Fe含量≥98wt％，粒径约为200目。
所述斜发沸石为青白色多孔的碱金属铝硅酸盐颗粒，粒径约为100目，比重2.1-2.3g/cm3，铝硅含量≥95wt％。
所述活性炭为黑色的果壳碳粉末，粒径大于100目，比表面积≥980m2/g，碘值1000mg/g。
实施例1
本实施例提供一种可渗透反应墙活性材料，包含以下重量百分比的各组分：零价铝粉20％，还原铁粉40％，斜发沸石10％，活性炭30％。
本实施例提供一种可渗透反应墙活性材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)以下配比(重量百分比)称取各原料：零价铝粉20％，还原铁粉40％，斜发沸石10％，活性炭30％。
(2)将称取的各组分预混，在90r/min的转速下混合10min，形成混合物料。
实施例2
本实施例提供一种可渗透反应墙活性材料，包含以下重量百分比的各组分：零价铝粉30％，还原铁粉30％，斜发沸石10％，活性炭30％。
本实施例提供一种可渗透反应墙活性材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按以下配比(重量百分比)称取原料：零价铝粉30％，还原铁粉30％，斜发沸石10％，活性炭30％。
(2)将称取的各组分预混，在90r/min的转速下混合10min，形成混合物料。
实施例3
本实施例提供一种可渗透反应墙活性材料，包含以下重量百分比的各组分：零价铝粉40％，还原铁粉20％，斜发沸石10％，活性炭30％。
本实施例提供一种可渗透反应墙活性材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按以下配比(重量百分比)称取原料：零价铝粉40％，还原铁粉20％，斜发沸石10％，活性炭30％。
(2)将称取的各组分预混，在90r/min的转速下混合10min，形成混合物料。
对比例1
按以下配比称取原料：零价铝粉5％，还原铁粉5％，斜发沸石10％，活性炭80％。
制备工艺同实施例1。
对比例2
按以下配比称取原料：零价铝粉0％，还原铁粉60％，斜发沸石10％，活性炭30％。
制备工艺同实施例1。
对比例3
按以下配比称取原料：零价铝粉60％，还原铁粉0％，斜发沸石10％，活性炭30％。
制备工艺同实施例1。
对比例4
按以下配比称取原料：零价铝粉5％，还原铁粉5％，斜发沸石80％，活性炭10％。
制备工艺同实施例1。
实验室模拟可渗透反应墙技术的实验过程主要包括四个部分：模拟多种重金属污染废水配制、反应介质材料的制备及装载、实验室模拟可渗透反应墙运行、可渗透反应墙模拟柱出水水样中重金属浓度测定。
可渗透反应墙模拟柱截面直径50mm、厚度50mm，蠕动泵流速为1ml/min，进水pH值为3-5，运行总时间为480h，每天采样检测污染物浓度，污染物的处理效率对比见表1至表7。
表1实施例1对污染物的去除效率
表2实施例2对污染物的去除效率
表3实施例3对污染物的去除效率
表4对比例1对污染物的去除效率
对比例1中各污染物的平均去除率均低于实施例，去除率全部高于90％的运行时间仅为96h，远低于对比例。
表5对比例2对污染物的去除效率
对比例2中各污染物初期去除率极高，后下降较快，总体上各污染物的去除率全部高于90％的运行时间低于实施例。
表6对比例3对污染物的去除效率
对比例3中各污染物初期去除率低于90％，逐渐升高，后高于90％，维持一段时间后缓慢下降。总体上，各污染物的去除率全部高于90％的运行时间低于实施例。
表7对比例4对污染物的去除效率
对比例4中各污染物的去除效率远低于实施例。
由上述实施例和对比例的试验数据可以看出，在相似的柱体积和单位滞留时间的情况下，实施例对酸性废水中各类污染物的综合处理效率最高，运行480h的平均去除率均高于95％，处理效率很高，各污染物去除效率全部高于90％的时间最高可达336h，由此可见，调节好铝粉的添加比例对于延长活性材料的有效期是一个十分重要的因素。因此，本发明能够在保证污水处理达标的前提下，可以延长活性材料的使用寿命，减少更换材料的成本，加强市场竞争力度。
而对比例1-4中，当缺少铝粉或者铁粉时，其综合处理效率要远低于实施例的效果，虽然在实验中某几次测量的去除率甚至高于实施例，但活性材料的有效时间相比于实施例逊色很多。

Claims (8)

1.一种可渗透反应墙活性材料，其特征在于，按重量百分比包括以下各组分：
2.根据权利要求1所述的可渗透反应墙活性材料，其特征在于，所述铝粉为零价铝，铝粉中Al的含量≥99wt％。
3.根据权利要求1所述的可渗透反应墙活性材料，其特征在于，所述铁粉为零价铁，铁粉中Fe的含量≥98wt％。
4.根据权利要求1所述的可渗透反应墙活性材料，其特征在于，所述沸石为斜发沸石，沸石中铝硅含量≥95wt％。
5.根据权利要求1所述的可渗透反应墙活性材料，其特征在于，所述活性炭的充填密度为0.5-0.55g/m3，粒径为10-24目。
6.一种可渗透反应墙活性材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)按照重量百分比称取各组分：铝粉20-40％；铁粉20-40％；活性炭30-40％；沸石5-10％；
(2)将各组分预混，形成混合物料。
7.根据权利要求6所述的可渗透反应墙活性材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述预混时的转速为80-100r/min。
8.根据权利要求6所述的可渗透反应墙活性材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述预混时混合时间为10min。
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