實(shí)驗(yàn)室含鉻廢水處理初步研究

曹旺祥，儲(chǔ)倩瑩，馬 嬙，2

（1.廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院；2.河口生態(tài)安全與環(huán)境健康福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 漳州 363105）

重金屬?gòu)U水是指金屬礦冶煉、電解、電鍍、染料、機(jī)械加工和許多化工企業(yè)排出的含有大量重金屬離子的工業(yè)廢水，它對(duì)環(huán)境能產(chǎn)生巨大的危害，產(chǎn)生許多顯而易見(jiàn)的環(huán)境污染，因此需要慎重對(duì)待。含鉻廢水毒性大，不經(jīng)過(guò)科學(xué)處理就直接排放，會(huì)引起嚴(yán)重的水質(zhì)污染，還會(huì)通過(guò)食物鏈?zhǔn)谷顺霈F(xiàn)重金屬中毒等，影響人體健康[1-2]。所以，人們必須探究科學(xué)方法來(lái)處理實(shí)驗(yàn)室含鉻廢水。

大量含鉻廢水如果未經(jīng)處理就直接排放，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出生態(tài)環(huán)境的自?xún)裟芰?，?dǎo)致其無(wú)法實(shí)現(xiàn)自然降解。因此，實(shí)驗(yàn)室必須有效處理含鉻廢水，使其達(dá)標(biāo)排放。目前，重金屬?gòu)U水處理方法有：吸附法、離子交換法、化學(xué)沉淀法、電化學(xué)法、生物吸附法、膜分離法和電解法等[3]。

1 儀器與試劑

1.1 試驗(yàn)藥品

氫氧化鈉、硫酸亞鐵、鹽酸、磷酸、硫酸、重鉻酸鉀、二苯碳酰二肼、丙酮，以上試劑均為分析純，配制溶液用水均為去離子水。

1.2 試劑

鉻標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液1 g/L；模擬廢水100 mg/L；磷酸（1+1）；硫酸（1+1）；顯色劑；鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液1 mg/L。0.5 mol/L H2SO4；0.5 mol/L NaOH；10%的氫氧化鈉溶液。

1.3 試驗(yàn)儀器

TAS-986型火焰原子吸收分光光度計(jì)、UItima IV型XRD射線衍射儀、AR1140型電子天平、托盤(pán)天平、DHG-9053A臺(tái)式干燥箱、HJ-6A型恒溫?cái)嚢铏C(jī)。

1.4 試驗(yàn)工具

燒杯、錐形瓶、量筒、比色管、移液槍、移液管、玻璃棒、培養(yǎng)皿、研磨器、棕色瓶、洗耳球。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

本研究主要采用氧化還原法和化學(xué)沉淀法[4-5]。通過(guò)查閱文獻(xiàn)、理論計(jì)算和預(yù)試驗(yàn)得知，影響含鉻廢水處理的試驗(yàn)條件有投加（Fe2+/Cr6+）比值、還原反應(yīng)pH、共沉淀pH、還原反應(yīng)時(shí)間t1、共沉淀時(shí)間。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

使用移液管分別提取不同體積的鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液，利用二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定吸光度，把濃度轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，繪制出六價(jià)鉻的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示。

圖1 六價(jià)鉻的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)曲線

如圖1所示，以蒸餾水為參比的吸光度為0，試驗(yàn)時(shí)分別提取1 mL、2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL的鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液，通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化，制作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)曲線。其中，R2=0.999 8，接近于1，即可用y=4.890 8x+0.000 2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室含鉻原廢水的濃度轉(zhuǎn)化計(jì)算。

2.2 投加（Fe2+/Cr6+）比值對(duì)廢水去除率的影響

設(shè)置投加量中的（Fe2+/Cr6+）比值為1、2、3、4、5、6、7，其他條件都相同，投加比值對(duì)含鉻廢水去除率的影響如表1所示。

表1 投加比值對(duì)含鉻廢水去除率的影響

由表1可以看出，隨著投加比值上升，鉻的去除率顯著增大，當(dāng)投加比值大于6時(shí)，去除率超過(guò)99.63%，此時(shí)處理后的廢水已經(jīng)能夠達(dá)標(biāo)排放，再結(jié)合成本，將投加量中（Fe2+/Cr6+）的比例設(shè)置為6即為最佳。

2.3 還原反應(yīng)pH對(duì)含鉻廢水去除率的影響

設(shè)置反應(yīng)pH為1、2、3、4、5、6，進(jìn)行試驗(yàn)，具體結(jié)果如表2所示。

表2 還原反應(yīng)pH對(duì)含鉻廢水去除率的影響

與投加量相比，反應(yīng)pH的去除率比較穩(wěn)定，去除率均較高且變化幅度不大，當(dāng)pH為1、2、3時(shí)，處理后的模擬廢水才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 共沉淀pH對(duì)含鉻廢水去除率的影響

設(shè)置共沉淀pH為7、8、9、10、11，進(jìn)行含鉻廢水處理試驗(yàn)，具體結(jié)果如表3所示。

表3 共沉淀pH對(duì)含鉻廢水去除率的影響

共沉淀pH對(duì)含鉻廢水去除率的影響不大且鉻的去除率很高，當(dāng)pH為10、11時(shí)，含鉻廢水才能達(dá)標(biāo)排放。綜合成本因素，試驗(yàn)時(shí)需要把共沉淀pH控制在10左右。

2.5 還原反應(yīng)時(shí)間對(duì)含鉻廢水去除率的影響

設(shè)置還原反應(yīng)時(shí)間分別為0.5 min、1.0 min、1.5 min、2.0 min，然后進(jìn)行試驗(yàn)，具體結(jié)果如表4所示。

表4 還原反應(yīng)時(shí)間對(duì)含鉻廢水去除率的影響

控制反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，去除率都超過(guò)98.00%且影響不大，再次證明，只要投加比值足夠大，含鉻廢水去除率都非常高。但是，要想按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)排放，反應(yīng)時(shí)間應(yīng)控制在2 min，可達(dá)到最高去除率。

2.6 共沉淀時(shí)間對(duì)含鉻廢水去除率的影響

本試驗(yàn)把控制共沉淀時(shí)間作為變量，把條件設(shè)置為5 min、10 min、15 min、20 min，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，具體結(jié)果如表5所示。

表5 共沉淀時(shí)間對(duì)含鉻廢水去除率的影響

共沉淀時(shí)間分別設(shè)置為5 min、10 min、15 min、20 min時(shí)，去除率都高達(dá)99.63%，其對(duì)去除率的影響不大，都能夠達(dá)標(biāo)排放。但是，為了讓反應(yīng)更完全，共沉淀時(shí)間最好不低于10 min。

2.7 最佳條件對(duì)含鉻原廢水去除率的影響

通過(guò)模擬試驗(yàn)，筆者確定，處理含鉻廢水的最佳工藝條件為：投加（Fe2+/Cr6+）=6、還原反應(yīng)pH=3、共沉淀pH=10、還原反應(yīng)時(shí)間為2 min、共沉淀時(shí)間=10 min。利用這些最佳條件對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的含鉻原廢水進(jìn)行處理，利用Cr6+質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)得實(shí)驗(yàn)室原廢水的Cr6+濃度為731.99 mg/L，溶液pH小于1，因此不需要調(diào)節(jié)還原反應(yīng)的pH。在控制共沉淀pH時(shí)，需要提高氫氧化鈉的濃度來(lái)調(diào)節(jié)pH，此時(shí)選用濃度為10%的氫氧化鈉溶液進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)處理后，Cr6+的去除率高達(dá)99.87%，證明該方法對(duì)Cr6+的處理能力非常強(qiáng)。該方法簡(jiǎn)易快捷，成本不高，不會(huì)造成二次污染，改善了廢水水質(zhì)。經(jīng)過(guò)處理后，廢水雖然沒(méi)有達(dá)到國(guó)家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，但是排放后不會(huì)嚴(yán)重污染周邊水環(huán)境。同時(shí)，含鉻廢水體積減少、濃度降低，Cr6+沉淀后也實(shí)現(xiàn)了回收再利用，真正做到了減量化、無(wú)害化和資源化。

2.8 XRD沉淀物分析

本試驗(yàn)產(chǎn)生的沉淀物利用XRD射線衍射儀進(jìn)行表征分析，具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 沉淀物的表征分析

如圖2所示，沉淀物表征為Na2SO4、NaFe（SO4）2、Cr2S3，其主要沉淀物為Na2SO4，另外含有少量的含鉻含鐵化合物。

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 模擬試驗(yàn)單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

本次模擬試驗(yàn)以影響含鉻廢水處理的單因素投加（Fe2+/Cr6+）的比值、還原反應(yīng)pH、共沉淀pH、還原反應(yīng)時(shí)間、共沉淀時(shí)間為研究對(duì)象，從而確定最佳反應(yīng)條件。表1～表5的數(shù)據(jù)表明，只有投加量的試驗(yàn)結(jié)果表明與含鉻廢水的去除率息息相關(guān)，如果硫酸亞鐵的投加量不夠，不管在什么條件下去除率都非常低，其他條件對(duì)去除率的變化波動(dòng)不大。其他學(xué)者如盧烔元、段睿、楊儷等人都采用鐵氧體法進(jìn)行含鉻廢水處理試驗(yàn)，均運(yùn)用Fe2+還原Cr6+再加NaOH的試驗(yàn)方法進(jìn)行含鉻廢水處理[9-11]。沉淀物表征分析中，沉淀物為含鉻鐵氧體，除此之外，其他試驗(yàn)結(jié)果均與本次試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3.2 最佳工藝條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)室含鉻原廢水去除率的影響分析

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得到最佳條件后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室含鉻廢水的處理，去除率達(dá)到99.87%。但是，實(shí)驗(yàn)室廢水含有多種廢液，化學(xué)成分不同，不一定完全是含鉻廢水，可能含有其他重金屬離子和有機(jī)物。在利用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定吸光度時(shí)，這可能造成吸光度偏大，但是影響不大，因?yàn)椴捎玫亩教减６路止夤舛确ㄖ荒軠y(cè)鉻的吸光度[12-13]。

4 結(jié)論

本文通過(guò)模擬試驗(yàn)分析了影響含鉻廢水處理的主要因素，包括投加（Fe2+/Cr6+）的比值、還原反應(yīng)pH、共沉淀pH、還原反應(yīng)時(shí)間和共沉淀時(shí)間，進(jìn)而確定最佳反應(yīng)條件，之后進(jìn)行原廢水處理、沉淀物分析和去除率計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果表明，投加（Fe2+/Cr6+）的比值對(duì)含鉻廢水處理影響最大；處理含鉻廢水的最佳條件為投加（Fe2+/Cr6+）=6、還原反應(yīng)pH=3、共沉淀pH=10、還原反應(yīng)時(shí)間為2 min、共沉淀時(shí)間=10 min；在最佳條件下，處理實(shí)驗(yàn)室含鉻廢水，不產(chǎn)生二次污染；實(shí)驗(yàn)室含鉻廢水經(jīng)處理后反應(yīng)生成的沉淀物大部分是硫酸鈉，少部分為含鉻含鐵化合物。總體而言，本次利用鐵氧體法處理實(shí)驗(yàn)室含鉻廢水，處理效果顯著，鉻的去除率高達(dá)99%，簡(jiǎn)單方便，成本不高，對(duì)環(huán)境沒(méi)有造成二次污染，生成的沉淀物具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值，含鉻含鐵化合物可以用來(lái)制作電器元件和煉鐵原料等，用途廣泛。