活性炭-珍珠巖復(fù)合材料處理含鉻廢水的研究

馬萬征，吳劉棟，郭芮，鄒海明，陶丹丹，謝越，王艷，李粉茹

(安徽科技學(xué)院 城建與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

鉻廣泛存在于冶煉、電鍍、制革等工業(yè)廢水中，主要以Cr(Ⅵ)化合物存在，Cr(Ⅵ)具有致癌、致突變能力，在低濃度下也具有相當(dāng)高的毒性，對環(huán)境具有很大的危害［1］。因此，去除水體中的鉻就顯得尤為重要，目前大多數(shù)學(xué)者均采用吸附法對含鉻廢水進(jìn)行處理。趙暉等［2］以改性花生殼為原料，分別研究了用硝酸改性、鹽酸改性及未改性花生殼對含Cr6+廢水的處理進(jìn)行研究，從而找出最佳吸附條件。馬萬征等［3］考察了活性炭加入量、吸附時間、pH值、溫度等因素對含Cr(Ⅵ)廢水去除率的影響。紀(jì)智玲等［4］研究了活性炭和用HNO3改性的活性炭對水中鉻離子的吸附行為，實驗結(jié)果表明，改性活性炭對鉻離子吸附效果較好，pH 值為3，吸附時間80 min 是較為經(jīng)濟(jì)且除去率最高的條件。

活性炭比表面積大，微孔結(jié)構(gòu)豐富，吸附能力強(qiáng)［5］。膨脹珍珠巖是天然珍珠巖礦石經(jīng)過破碎篩選、高溫煅燒，其體積急劇膨脹，制得多孔、色白的顆粒狀物質(zhì)［6］。

本文用重鉻酸鉀配制含鉻廢水，研究活性炭-珍珠巖復(fù)合材料投加量、吸附時間、pH、反應(yīng)溫度以及含鉻廢水的初始濃度等因素對Cr6+去除率的影響，找出含鉻廢水最佳處理條件。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

丙酮、硫酸、磷酸、乙醇、乙酸、重鉻酸鉀、二苯碳酰二肼溶液、活性炭、珍珠巖均為分析純。

SHAC 水浴恒溫振蕩器;HPM-500 電子調(diào)溫電熱套;HY-6 雙層調(diào)速多用振蕩器;V-1100D 型分光光度計;SX2 系列箱式電阻爐;TE20 pH 計;津制00000297 電子天平。

1.2 含鉻廢水配制

利用重鉻酸鉀配制含鉻廢水。

1.3 活性炭-珍珠巖復(fù)合材料的制備

用電子天平稱取活性炭600 mg，將質(zhì)量比為12∶1，10∶1，8∶1，6∶1 的活性炭-珍珠巖混合，浸泡于體積比為1∶1 的乙醇與乙酸的混合溶液中，體積各為15 mL。浸泡12 h 后取出，過濾烘干，以備實驗中使用。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

廢水中六價鉻離子的測定采用二苯碳酰二肼顯色劑比色法［7］。以吸光度為縱坐標(biāo)，六價鉻含量為橫坐標(biāo)，繪出標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性回歸，得鉻標(biāo)準(zhǔn)曲線方程:

式中，x 為吸光度，y 為鉻離子濃度(μg/mg)。

圖1 鉻標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Chromium of shape standard curve

鉻離子去除率的計算:

式中，C0為初始Cr(VI)濃度，C1為處理后Cr(VI)的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附劑組成比例對吸附效果的影響

取2 mL 配制好的鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液，用水稀釋至50 mL，此時鉻離子濃度為0.04 μg/mL。在常溫下，不同比例的活性炭-珍珠巖復(fù)合材料對廢水中鉻離子的去除率，結(jié)果見圖2。

圖2 吸附劑配比對含鉻廢水的影響Fig.2 Effect of mass ratio of adsorbent on wastewater containing chromium

由圖2 可知，當(dāng)活性炭與珍珠巖的質(zhì)量比為10∶1 時，廢水中鉻離子的去除率為最大，活性炭-珍珠巖對廢水中鉻離子的去除率為60%。

2.2 吸附劑投加量對鉻去除率的影響

在9 個具塞比色管中分別加入50 mL 鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液。稱取活性炭分別為100，200，300，400，500，600，700，800，900 mg，珍珠巖為活性炭質(zhì)量的1/10，充分混合后加入到9 個錐形瓶中，浸泡于乙醇與乙酸1∶1 的混合溶液中，12 h 后取出，過濾烘干，加入到鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液中，在振蕩器上振蕩90 min，待充分反應(yīng)后，靜置1 h。取上清液測量其吸光度，計算去除率，結(jié)果見圖3。

圖3 投加量對含鉻廢水吸附性能的影響Fig.3 Effect of dosing quantity on the adsorption properties of wastewater containing chromium

由圖3 可知，活性炭的投加量在100 ～500 mg時，珍珠巖用量為10 ～50 mg，鉻離子的去除率呈上升趨勢，隨著投加量的增加，鉻的去除率逐漸變緩，此時，復(fù)合材料已經(jīng)達(dá)到吸附飽和狀態(tài)。因此，投加500 mg 活性炭，50 mg 珍珠巖混合為最佳投放量。

2.3 pH 對鉻去除率的影響

調(diào)節(jié)鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液的pH 為1，2，3，4，5，6，7，8，9，并定容至50 mL。稱取活性炭500 mg，珍珠巖50 mg，分別加入9 個錐形瓶中，浸泡于乙醇與乙酸1∶1 混合溶液中，12 h 后取出，過濾烘干。加入配好的鉻［Cr(Ⅵ)］標(biāo)準(zhǔn)使用液，置于振蕩器上振蕩時間為140 min，靜置1 h 后，取上清液測吸光度，計算去除率，見圖4。

圖4 pH 值對含鉻廢水吸附性能的影響Fig.4 Effect of pH on the adsorption properties of wastewater containing chromium

由圖4 可知，pH 在1 ～4，鉻離子去除率呈上升趨勢，即隨pH 增加而增大;pH 在5 ～9 時，鉻離子去除率不斷下降。原因是活性炭表面存在大量的含氧基團(tuán)，如羥基(—OH)，隨著pH 值的上升，OH－濃度逐漸增大，由于含氧基團(tuán)與OH－的親和力大于對的親和力，造成復(fù)合材料對鉻的吸附能力就下降［8］。

2.4 溫度對鉻去除率的影響

稱取活性炭500 mg，珍珠巖50 mg 混合加入錐形瓶中，浸泡于乙醇與乙酸1∶1 的混合溶液中12 h取出，過濾烘干。加入50 mL 的鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液，放在恒溫振蕩器上振蕩，振蕩時間140 min，靜置30 min，取上清液測吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線求出平衡后濃度，并計算去除率，結(jié)果見圖5。

圖5 溫度對含鉻廢水吸附性能的影響Fig.5 Effect of temperature on the adsorption properties of wastewater containing chromium

由圖5 可知，反應(yīng)溫度在10 ～25 ℃時，鉻離子的去除率大體呈緩慢的上升趨勢，在25 ～55 ℃時，呈緩慢下降趨勢?；钚蕴课姐t離子表現(xiàn)為物理吸附性能的特性，利用活性炭表面微孔，使吸附質(zhì)通過大孔通道擴(kuò)散到過渡孔和小孔中去，完成它的吸附過程［9］。由圖5 可知，25 ℃為最佳吸附溫度。

2.5 反應(yīng)時間對鉻去除率的影響

在8 個比色管中分別加入1 mL 鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液，定容至50 mL。稱取復(fù)合材料加入錐形瓶中，并將其浸泡于乙醇與乙酸1∶1 的混合溶液中，12 h 后取出，過濾烘干，加入到鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液中，在振蕩器上振蕩50 min 后取出第1 組比色管，靜置30 min 后測定上清液的吸光度，然后每隔20 min 取出一組比色管，重復(fù)第1 組的實驗，結(jié)果見圖6。

圖6 處理時間對含鉻廢水吸附性能的影響Fig.6 Effect of treatment time on the adsorption properties of wastewater containing chromium

由圖6 可知，反應(yīng)時間在130 min 之前時，鉻離子去除率呈上升趨勢;超過130 min 后，鉻的去除率基本穩(wěn)定，說明在130 min 時已經(jīng)達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。因此，130 min 為最佳反應(yīng)時間。

2.6 鉻離子濃度對鉻去除率的影響

稱取活性炭500 mg，珍珠巖50 mg 混合加入錐形瓶中，浸泡于乙醇與乙酸1∶1 的混合溶液中，12 h后取出，過濾烘干。加入配制好的鉻［Cr(Ⅵ)］標(biāo)準(zhǔn)使用液，分別為0.50，1.00，2.00，3.00，4.00，5.00，8.00，10.00 mL 稀釋至50 mL，調(diào)節(jié)pH 4，置于恒溫振蕩器上振蕩，振蕩時間為140 min，取上清液測吸光度，并計算去除率，結(jié)果見圖7。

圖7 鉻離子濃度對含鉻廢水吸附性能的影響Fig.7 Effect of chromium ion concentration on the adsorption properties of wastewater containing chromium

由圖7 可知，鉻離子濃度在0.01 ～0.1 μg/mL時，鉻離子的去除率呈緩慢上升趨勢，最高吸附率達(dá)71%，當(dāng)濃度超過0.1 μg/mL 時，吸附效果逐漸降低。所以，當(dāng)鉻離子濃度為0.1 μg/mL 時，活性炭-珍珠巖對于吸附鉻離子已達(dá)到飽和狀態(tài)。

3 結(jié)論

活性炭-珍珠巖復(fù)合材料處理含鉻廢水的適宜條件是:活性炭投放量為500 mg，珍珠巖為50 mg，吸附時間130 min，pH 為4，反應(yīng)溫度為25 ℃，鉻離子約0.1 μg/mL 時，Cr6+最大去除率可達(dá)96%。

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