改性木屑吸附處理含Cr(Ⅵ)廢水

趙 暉，廖 祥，陳金文，周麗花，李 婳

(1.武漢紡織大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073;2.華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)，湖北 武漢 430223)

改性木屑吸附處理含Cr(Ⅵ)廢水

趙 暉1，廖 祥1，陳金文1，周麗花1，李 婳2

(1.武漢紡織大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073;2.華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)，湖北 武漢 430223)

對(duì)改性木屑處理含Cr(Ⅵ)廢水進(jìn)行了研究，考察了溶液Cr(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度、溶液pH、木屑加入量、吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在溶液初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度15 mg/L、溶液pH 2.0、木屑加入量7.5 g/L、吸附時(shí)間60 min的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，硝酸改性木屑比磷酸改性木屑吸附效果好，硝酸改性木屑對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附率達(dá)到85%，磷酸改性木屑對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附率為76%。

木屑;改性;吸附;鉻;廢水處理

工業(yè)廢水是水體污染的主要污染源，重金屬廢水污染更加嚴(yán)重。重金屬不能被生物降解，可參與食物鏈循環(huán)并最終在生物體內(nèi)積累，通過飲水和食物鏈對(duì)人類產(chǎn)生廣泛和嚴(yán)重的危害［1－2］。Cr處于周期表中的第Ⅵ副族，在自然界中，主要以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)存在。含Cr廢水中的Cr主要以Cr(Ⅵ)化合物存在，與Cr(Ⅲ)相比，Cr(Ⅵ)具有致癌致突變能力，而且容易遷移，具有很強(qiáng)的氧化能力，在低濃度下也具有相當(dāng)大的毒性，毒性是 Cr(Ⅲ)的100倍，對(duì)環(huán)境具有很大的危害，因而降低水體中Cr的含量尤為重要［3－8］。

吸附法是利用吸附劑的獨(dú)特結(jié)構(gòu)去除重金屬離子的一種具有潛力的廢水凈化措施［9］。常用的高效吸附劑是活性炭，但因制備成本高、再生困難，使其應(yīng)用受到限制。近年來，利用生物質(zhì)材料為吸附劑處理廢水逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)［10－11］。雖然生物質(zhì)材料對(duì)污染物的吸附量比活性炭小，但由于生物質(zhì)材料來源豐富、取材方便、價(jià)格低廉、用后不必再生可直接處理等，大大降低了廢水的處理費(fèi)用，因而具有很好的應(yīng)用前景［12－15］。

本工作以木屑［16－17］為吸附劑，處理含 Cr(Ⅵ)廢水，考察了吸附過程的影響因素，并對(duì) Cr(Ⅵ)的吸附熱力學(xué)特征進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑與儀器

重鉻酸鉀:優(yōu)級(jí)純;其他試劑均為分析純。

800型搖擺式中藥粉粹機(jī):大德藥機(jī)公司;DHG－9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥烘箱:上海一恒科學(xué)儀器有限公司;JJ－8型六聯(lián)定時(shí)電動(dòng)攪拌器:國華電器有限公司;PHS－4型酸度計(jì):上海大普儀器有限公司;WFZ UV－2100型紫外－可見分光光度計(jì):尤尼柯儀器有限公司。

1.2 木屑的改性處理

稱取200 g木屑，置于2.5 L大燒杯中，加入500 mL濃度為 1 mol/L的磷酸溶液(或硝酸溶液)，攪拌l h后，過濾去除液體部分，用去離子水清洗至中性，在80℃下烘干即得改性木屑。

1.3 Cr(Ⅵ)儲(chǔ)備液的制備

稱取120℃干燥2 h的重鉻酸鉀0.282 9 g，用蒸餾水溶解后移入1 000 mL容量瓶定容。所得儲(chǔ)備液的 Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度為100 mg/L，pH 5.5 ～6.0。

1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

2.1 兩組患者干預(yù)前后應(yīng)對(duì)方式和社交心理評(píng)分比較 兩組患者入院時(shí)，在TCSQ、SAD、UCLA、RSES量表得分方面差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。干預(yù)4周后，干預(yù)組TCSQ積極應(yīng)對(duì)方式、SAD、UCLA、RSES得分均優(yōu)于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，見表1。

在20℃時(shí)，取不同質(zhì)量濃度的 Cr(Ⅵ)溶液200 mL，用1.0 mol/L HCl或 NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH，加入一定量的木屑，在150 r/min水浴恒溫振蕩器中振蕩吸附一定時(shí)間后取樣，靜置10 min后過濾，取濾液采用二苯碳酰二肼比色法于波長540 nm處測(cè)定吸光度［18］，并計(jì)算Cr(Ⅵ)吸附率。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附時(shí)間對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的影響

當(dāng)溶液初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度為25 mg/L、木屑加入量為7.5 g/L、溶液pH為6.0時(shí)，吸附時(shí)間對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的影響見圖1。

圖1 吸附時(shí)間對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的影響

由圖1可見:當(dāng)吸附時(shí)間相同時(shí)，不同方式處理的木屑對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的大小順序?yàn)橄跛岣男阅拘迹玖姿岣男阅拘迹疚锤男阅拘?當(dāng)吸附時(shí)間為10～60 min時(shí)，Cr(Ⅵ)吸附率增大，當(dāng)吸附時(shí)間超過60 min后，Cr(Ⅵ)吸附率隨時(shí)間變化不大;當(dāng)吸附時(shí)間為60 min時(shí)，硝酸改性木屑、磷酸改性木屑、未改性木屑對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率分別為39%，38%，9%。3種木屑對(duì)Cr(Ⅵ)均有吸附效果，改性木屑的吸附效果好于未改性木屑。實(shí)驗(yàn)選擇優(yōu)化吸附時(shí)間為60 min。

2.2 木屑加入量對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的影響

當(dāng)溶液初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度為25 mg/L、溶液pH為6.0、吸附時(shí)間為60 min時(shí)，木屑加入量對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的影響見圖2。由圖2可見:隨著木屑加入量增大，Cr(Ⅵ)吸附率增大;當(dāng)木屑加入量大于7.5 g/L后，Cr(Ⅵ)吸附率變化不大。木屑的主要成分為纖維素、半纖維素、果膠、木素和蛋白質(zhì)，其結(jié)合重金屬離子的活性部位是巰基、氨基、鄰醌和鄰酚羥基，具有天然交換能力和吸附特性;而經(jīng)改性處理后的木屑可產(chǎn)生官能作用與交聯(lián)作用，使其穩(wěn)定性和化學(xué)吸附能力提高，能有效地脫除重金屬離子［19］。故選取木屑的加入量為7.5 g/L。

圖2 木屑加入量對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的影響

2.3 溶液pH對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的影響

溶液pH會(huì)影響Cr(Ⅵ)在水溶液中的形態(tài)，并對(duì)吸附劑上的化學(xué)官能團(tuán)活性產(chǎn)生影響［20－21］。當(dāng)溶液初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度為25 mg/L、木屑加入量為7.5 g/L、吸附時(shí)間為 60 min時(shí)，溶液 pH對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的影響見圖3。由圖3可見，隨著溶液pH的增大，木屑對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附率迅速減小;當(dāng)溶液pH為 1.0時(shí)，木屑對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附率最大，未改性木屑、磷酸改性木屑、硝酸改性木屑對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率分別達(dá)到35%，63%，74%;當(dāng)溶液pH為2.0時(shí)，未改性木屑、磷酸改性木屑、硝酸改性木屑對(duì) Cr(Ⅵ)吸附率分別達(dá)到32%、61%和70%，說明酸性環(huán)境有利于吸附劑對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附。在酸性環(huán)境中Cr(Ⅵ)很快被還原為Cr(Ⅲ)，易于被改性木屑吸附或形成穩(wěn)定絡(luò)合物。溶液pH為1.0和2.0時(shí)，Cr(Ⅵ)吸附率相差不大，實(shí)驗(yàn)選擇溶液pH 為2.0。

圖3 溶液pH對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的影響

2.4 溶液初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的影響

當(dāng)木屑加入量為7.5 g/L、溶液 pH 為2.0、吸附時(shí)間為60 min時(shí)，溶液初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度對(duì)溶液初始Cr(Ⅵ)吸附率的影響見圖4。

圖4 溶液初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率的影響

由圖4可見:隨著溶液初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度的增加Cr(Ⅵ)的吸附率減小;當(dāng)Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度小于25 mg/L時(shí)，吸附率較高，這是由于吸附劑所具有的吸附點(diǎn)位數(shù)量一定，對(duì)低濃度的Cr(Ⅵ)溶液，可提供的吸附表面較多，吸附率可不受濃度的影響;當(dāng)溶液初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度為15 mg/L時(shí)，硝酸改性木屑、磷酸改性木屑對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率分別達(dá)到85%和76%，而未改性木屑對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率僅為38%。因?yàn)榻?jīng)過磷酸或硝酸改性木屑的化學(xué)組分中的半纖維素和纖維素分解，使多糖轉(zhuǎn)換成單糖，因而更容易與物質(zhì)發(fā)生親和作用［4］。實(shí)驗(yàn)選擇溶液初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度為15 mg/L。

2.5 吸附過程反應(yīng)級(jí)數(shù)

為了確定吸附過程的反應(yīng)級(jí)數(shù)，將吸附量(q，mg/g)和吸附時(shí)間(t，min)代入Langergren準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程［10］，見式(1)。

式中:qe和qt分別為吸附平衡時(shí)和t時(shí)間的Cr(Ⅵ)吸附量，mg/g;kad是吸附速率常數(shù)，min－1。lg(qeqt)與t的關(guān)系見圖5。硝酸改性木屑、磷酸改性木屑線性吸附反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程相關(guān)系數(shù)分別為0.969 7，0.988 5，說明該反應(yīng)符合 Langergren 準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。而未改性木屑吸附Cr(Ⅵ)方程相關(guān)系數(shù)僅為0.864 1。

圖5 lg(qe－qt)與t的關(guān)系

3 結(jié)論

a)未改性木屑和改性木屑對(duì)含Cr(Ⅵ)廢水均有吸附作用，利用硝酸和磷酸改性處理后的木屑對(duì)含Cr(Ⅵ)廢水的吸附性能明顯優(yōu)于未改性木屑，且吸附過程符合Langergren準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。

b)磷酸改性木屑和硝酸改性木屑處理含Cr(Ⅵ)廢水的優(yōu)化條件為:溶液初始Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度 15 mg/L，溶液 pH 2.0，木屑加入量 7.5 g/L，吸附時(shí)間60 min。

c)在優(yōu)化條件下，硝酸改性木屑比磷酸改性木屑吸附效果好，硝酸改性木屑對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率達(dá)到85%，磷酸改性木屑為76%。說明不同的改性條件，對(duì)吸附率有不同的影響。

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Removal of Cr(Ⅵ)from Wastewater by Modified Woodflour Adsorption

Zhao Hui1，Liao Xiang1，Chen Jinwen1，Zhou Lihua1，Li Hua2
(1.School of Environmental Engineering，Wuhan Textile University，Wuhan Hubei 430073，China;
2.NO.1 Middle School Attached to Central China Normal University，Wuhan Hubei 430223，China)

The treatment of Cr(Ⅵ)-containing wastewater using modified woodflour was studied.The factors affecting the adsorption effect were investigated.The experimental results show that:Under the optimum conditions of initial Cr(Ⅵ)mass concentration 15 mg/L，solution pH 2.0，woodflour dosage 7.5 g/L and adsorption time 60 min，the adsorption effect on woodflour modified by nitric acid with 85%of Cr(Ⅵ)adsorption efficiency is better than that by phosphoric acid with 76%of Cr(Ⅵ)adsorption efficiency.

woodflour;modification;adsorption;chromium;wastewater treatment

X703.1

A

1006－1878(2011)05－0402－04

2011－02－26;

2011－05－16。

趙暉(1968—)，女，湖北省武漢市人，碩士，副教授，研究方向?yàn)楣I(yè)廢水的處理。電話15327215801，電郵2002zhaohui@wtu.edu.cn。

中國紡織工業(yè)協(xié)會(huì)項(xiàng)目“農(nóng)林廢棄物對(duì)印染廢水脫色處理的研究”(2008036)。

(編輯 張艷霞)