含铬废水处理新方法：生物炭负载纳米零价铁结合人造铬铁矿回收利用系统

含铬废水处理新方法：生物炭负载纳米零价铁结合人造铬铁矿回收利用系统

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的制备方法及含铬废水处理系统，更特别涉及一种利用生物炭负载纳米零价铁处理含铬废水的方法，并将其与人工铬铁矿回收系统相结合，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入环境，对环境和人类健康构成了严重的威胁。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，常见的处理方法有化学沉淀法、离子交换法、膜分离法、生物降解法等。但是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，需要进一步处理处置。为了提高含铬废水的处理效果，纳米材料等新兴技术应运而生。纳米材料具有很大的比表面积和特殊的吸附性能，可以高效吸附去除废水中的铬离子，从而提高含铬废水的处理效果。

纳米零价铁作为一种新型的环境友好纳米材料，具有粒径小、反应性强、比表面积大等优点，被广泛应用于废水中各类重金属的去除。然而，纳米零价铁在处理污染物时，易发生团聚，形成大颗粒或链状结构，在磁力、静电引力、范德华力等作用下易氧化团聚，大大降低了重金属的去除效率。因此，制备稳定、分散、环境友好的负载型纳米零价铁材料尤为重要。

很多学者对此进行了研究，如翁等利用膨润土负载纳米零价铁吸附催化降解废水中的铜，60 min后降解效率达到96%以上，比未负载纳米零价铁提高70%以上。郭阳等利用玉米秸秆生物炭负载纳米零价铁去除重金属污染废水，35 ℃下Cr(VI)去除率高达98%。可见生物炭负载纳米零价铁对于去除重金属污染废水有很好的借鉴价值。

稻壳生物炭来源广泛、价格低廉，但负载纳米零价铁的稻壳生物炭处理含铬废水后，固液混合物中的固体中仍然含有大量吸附铬的固体，这是因为负载纳米零价铁的稻壳生物炭对废水中铬离子的吸附不是完全可逆的，吸附了铬离子的固体容易对环境造成二次污染。

发明内容

1.本发明所要解决的技术问题

本发明提供了一种生物炭负载纳米零价铁的制备方法，克服了纳米零价铁易氧化、团聚的问题，去除了含铬废水中的重金属铬，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，利用系统中的磁分离单元将含铬铁磁性废渣分离，得到人造铬铁矿，实现固体废渣的再利用，避免对环境造成二次污染。

2.技术方案

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

本发明的生物炭负载纳米零价铁的制备方法具体包括以下步骤：

S1. 高纯度 N 中

硼氢化钠

S3、将适量的稻壳生物炭加入到步骤S2的溶液中，搅拌混合，使稻壳生物炭充分负载纳米零价铁，得到负载纳米零价铁的稻壳生物炭。

进一步地，在步骤S3中，将稻壳生物炭用研磨机研磨成粉末，过60-100目筛，粒度为

进一步地，在步骤S1中，NaBH

本发明的含铬废水处理系统包括自动控制单元、原料配制单元、酸存储单元、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；

自动控制单元连接原料制备单元和储酸单元，原料制备单元通过管路连接还原反应池，储酸单元通过管路连接还原反应池和含铬废水池；

还原反应池通过管道与一级处理池、二级处理池相连；含铬废水池通过管道与一级处理池相连；二级处理池通过管道与含铬检测池相连，含铬检测池还与沉淀池相连，沉淀池通过出口与回收池相连。

进一步地，在还原反应池与一级处理池和二级处理池的连接管路上设置有第一泵体，所述第一泵体采用气泵，将权利要求1至3任一项所述制备的负载纳米零价铁的稻壳生物炭通过气泵以吹气的方式分别输入到一级处理池和二级处理池中。

进一步地，所述一级处理池与二级处理池之间设有缓冲罐，所述缓冲罐与一级处理池连接的一端设有自动进出挡板。

进一步的，所述缓冲罐内设置有孔径为0.1~0.45μm的滤膜。

进一步的，所述自动控制单元上设置有PLC控制器，所述还原反应池和含铬废水池上设置有pH监控装置，所述PLC控制器与所述监控装置电连接；所述含铬废水池上设置有ORP探头，所述ORP探头控制还原剂的添加量。

进一步地，沉淀池底部还设置有磁选器。

进一步的，所述含铬废水池与一级处理池之间的连接管上设有抽吸泵，所述含铬检测池与二级处理池之间的连接管上设有应急回流泵。

3. 有益效果

与现有的已知技术相比，本发明提供的技术方案具有以下显著效果：

(1)稻壳生物炭来源广泛、成本低廉，且具有较高的比表面积、丰富的功能基团、较强的吸附多孔结构。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)本发明制备的负载纳米零价铁的稻壳生物炭具有孔径均匀、活性位点多、成本低、操作方便、不易团聚、去除率高等优点。

（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，可实现含铬废水的高效去除，处理后的含铬废水中铬含量远低于国家标准，不产生二次污染，适合大规模工业化生产。

(4)本发明提供的稻壳生物炭负载纳米零价铁含铬废水处理及回收系统中的磁分离单元，用于分离含铬的铁磁性废渣，得到人造铬铁矿，克服了市场上仅处理含铬废水达标排放，而未能回收重金属铬的缺陷，达到了从废物中提取有价值资源的目的，可实现工业化生产，具有广阔的应用前景和经济价值。

附图的简要说明

图1为本发明实施例1提供的生物炭负载纳米零价铁的制备流程图；

图2为本发明实施例二提供的系统结构示意图。

详细方法

为了进一步理解本发明的内容，下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

示例 1

参见图1，本发明的生物炭负载纳米零价铁的制备方法包括以下步骤：

步骤 1：在高纯度 N2 中

第 2 步：使用研磨机将稻壳生物炭磨成粉末，并通过 60-100 目筛子。

负载型纳米零价铁去除Cr(VI)的作用机理主要为吸附、还原和共沉淀，成功负载后复合材料的比表面积和吸附活性位点增加。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，加入负载型纳米零价铁后，废水pH值升高，可溶性有机碳和有效铁含量增加，这些变化增强了废水中Cr(VI)与土壤的结合能力，从而降低了废水中的有效铬含量，降低了Cr(VI)的生物毒性浓度，增加了废水细菌的丰富度和多样性。且本发明制备的稻壳生物炭负载纳米零价铁具有原料易得、成本低、无明显团聚现象、分散性更强、粒径更小、吸附效果好等优点，适合工业材料大规模生产。

示例 2

如图2所示，本实施例提供了一种低成本稻壳生物炭负载纳米零价铁用于含铬废水处理及资源化利用的方法，包括自动控制单元、原料配制单元、酸存储单元、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。

自动控制单元连接原料制备单元和储酸单元（储存盐酸），原料制备单元通过管路连接还原反应池，储酸单元通过管路连接还原反应池和含铬废水池。还原反应池通过管路连接一级处理池和二级处理池，管路上设有第一泵体，第一泵体为气泵。气泵用于将制备好的负载纳米零价铁的稻壳生物炭通过气吹方式分别输入一级处理池和二级处理池中处理含铬废水。

含铬废水池通过管道与一级处理池相连，管道内设有第二泵体，第二泵体为抽吸泵。

一级处理池和缓冲池一侧安装有自动抽水挡板，缓冲池与二级处理池含铬废水进水管路相连，含铬废水进水管路与含铬检测池相连。含铬检测池设有与二级处理池相连的第三泵体，第三泵体为应急回流泵。含铬检测池还与沉淀池相连，沉淀池通过出口与回收池相连。

自动控制单元上设有PLC控制器，实时监测原料用量，并通过重量传感器自动调节控制。原料制备单元中原料箱内设有称重装置，可精确控制和计量原料用量，保证原料的准确添加。同时还原反应池和含铬废水池上设有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控制器与监测装置电连接。

本实施例中，通过监测pH值，使还原反应池中负载纳米零价铁的稻壳生物炭达到酸性状态，加入盐酸至pH=4，同时将含铬废水池中的废水调节至pH=3，此时废水中的铬主要为Cr

三个原料配制箱固定在还原反应池的正上方，还原反应池底部设有管道与除氧纯水箱连通，除氧纯水以一定的速率流入池中。还原反应池内设有搅拌轴，与搅拌电机电连接。

含铬废水池上安装有ORP探头，控制还原剂的加入量，使废水的ORP值在250～300mv之间，底部设有废水进水口，并通过管道连接。

一次处理池和二次处理池的顶部均固定有安装框架，安装框架上固定安装有驱动电机，驱动电机的驱动端固定安装有第一旋转杆和第二旋转杆并贯穿整个处理池，搅拌带固定连接在旋转杆上。一次处理池和二次处理池上均安装有驱动电机，通过旋转杆不断搅拌池内，以加快反应速度，保证反应充分。

缓冲池内设有孔径范围为0.1-0.45μm的滤膜，滤膜采用优质材料，具有良好的耐腐蚀性和耐高温性。缓冲池一侧设有自动插入式挡板，当一级处理池处理完毕后，拉出挡板，使废水通过滤膜进入二级处理池。滤膜可有效将一级处理池中的废水与稻壳生物碳纳米零价铁分离，进行固液分离，实现含铬废水的高效处理净化。

含铬检测池的检测装置包括铬离子含量监测装置，可以检测铬含量是否符合国家标准。

沉淀池底部安装有磁选机，磁选机主要工作原理是将废水中含铬固液混合物与铬铁物质分离，生成人工再生铬铁矿。人工铬铁矿是一种高价值资源，可用于制造不锈钢、合金钢、耐火材料等工业产品，该技术不仅可以实现剩余固体废弃物的再利用，还能带来巨大的经济效益。此外，磁选机还具有高效节能的特点，与传统的物理分离方法相比，利用磁性材料进行分离可以避免使用化学药剂，避免药剂对水体造成的二次污染。磁选机运行成本低，可以快速提取人工铬铁矿，节省大量时间和人工成本。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，提高生产效率和产品质量。

本发明系统的工作过程如下：

原料制备单元在自动控制单元的控制下，制备出负载纳米零价铁的稻壳生物炭。本制备过程中，七水硫酸亚铁（FeSO

示例 3

结合图2，本实施例对磁选后的含铬废渣进行破碎、磨粉，使其粒度更加均匀细小，增大表面积。将破碎、磨粉后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，铬与铁发生反应生成铬铁，其他杂质同时被还原。经过冶炼反应后，从冶炼炉中获得的冶炼渣中含有铬铁。通过适当的分离工艺将铬铁从冶炼渣中分离出来。再进行精炼、冶炼处理，提高铬铁的纯度和质量。从而获得符合国家标准（GB/T5683-2008）的人工铬铁矿，实现了固体废渣的再利用，避免了对环境的二次污染。

以上是对本发明及其实施方式所作的示意性描述，并非限制性描述。附图仅示出了本发明的一种实施方式，实际结构不限于此。因此，本领域技术人员如果从中得到启发，在不脱离本发明宗旨的前提下，无需经过创造性即可设计出与该技术方案类似的结构和实施例，这些都应落入本发明的保护范围。