鐵改沸石處理含鉻廢水的實(shí)驗(yàn)研究

王炳鍛

（福建高科環(huán)保研究院有限公司，廣西南寧，530022）

1 引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，重金屬鉻的排放量呈逐年遞增的趨勢(shì)，而且長(zhǎng)期以來由于處理不當(dāng)，堆放的鉻渣也使得大量的鉻進(jìn)入水體，加劇了鉻污染的現(xiàn)狀。含鉻廢水中鉻的存在形式有Cr3＋和Cr6＋兩種，其中 Cr6＋的毒性最大［1］，大 約是 Cr3＋100倍。吸入六價(jià)鉻可引起急性支氣管炎和哮喘；入口則可刺激和腐蝕消化道，引起惡心、嘔吐、胃燒灼痛、腹瀉等，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致昏迷休克。工業(yè)廢水中，鉻主要以六價(jià)形態(tài)存在。含六價(jià)鉻廢水主要來源于油墨、染料及油漆顏料的制造、制革、金屬清洗、預(yù)電鍍和電鍍等行業(yè)［2］。

目前處理含鉻廢水的方法主要有三類：化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。本實(shí)驗(yàn)采用吸附法，利用沸石吸附廢水中的鉻，研究修復(fù)的最佳條件，為實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)的參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 沸石的改性方法

原沸石為人造沸石，化學(xué)純，分子式為Na2O·Al2O3·xSiO2·yH2O。改性沸石制作方法：用一定濃度的氯化鐵溶液浸泡原沸石26h（氯化鐵溶液與浸泡沸石的質(zhì)量的比為3mL：1g），用蒸餾水將改性過的沸石洗至中性且無氯化鐵溶液殘留，自然風(fēng)干備用。

2.2 含鉻廢水來源

本實(shí)驗(yàn)所用含鉻廢水取自某電鍍廠，廢水中鉻濃度的分析方法為二苯碳酰二肼分光光度法。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 單因素實(shí)驗(yàn)

（1）改性劑濃度：用濃度為0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L、0.4mol/L、0.5mol/L、0.6mol/L 的氯化鐵溶液分別制得改性沸石。用不同濃度的改性沸石分別處理鉻廢水。測(cè)定處理后含鉻廢水的鉻濃度，計(jì)算鉻去除率，確定最佳改性濃度。

（3）pH 值：調(diào)鉻廢水 pH 值為1.0、3.0、5.0、7.0、9.0、11.0、13.0，用最佳投加量的改性沸石分別處理鉻廢水。測(cè)定處理后含鉻廢水的鉻濃度，計(jì)算鉻去除率，確定最佳pH值。

2.3.2 吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)

稱取1.0g的原沸石和改性沸石分別投入盛有50mL含鉻廢水（5－25mg/L）的錐形瓶?jī)?nèi)，在溫度35℃下振蕩至吸附平衡，然后快速過濾，分別測(cè)定其平衡濃度。平衡吸附量的計(jì)算公式為：

qe＝（C0－Ce）V/M

其中：qe為平衡吸附量（mg/g）；C0和Ce分別為廢水中鉻初始濃度和平衡濃度（mg/L）；V為廢水的體積（L）；M為加入原沸石、改性沸石的質(zhì)量（g）。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）改性劑濃度對(duì)改性沸石處理廢水效果的影響

冰葉日中花是目前研究最為全面的兼性CAM（Crassulacean Acid Metabolism，景天酸代謝）植物，CAM是一種光合作用的替代途徑，能有效地提高水分的利用率。在鹽脅迫或干旱脅迫下，冰葉日中花從C3光合作用途徑轉(zhuǎn)變?yōu)镃AM，從而最大限度減少水分的流失，并保證在缺水、土壤鹽漬的情況下成功繁殖［30］。對(duì)比C3和C4光合途徑，CAM將水的利用率提高了5倍［31］，并增強(qiáng)了CAM植物在炎熱干燥環(huán)境中的生存能力。當(dāng)CO2濃度升高時(shí)，一些CAM植物的生物量可增加35%，而許多C3植物的生物量都是下降的［32］。

對(duì)沸石進(jìn)行改性是提高人造沸石處理含鉻廢水能力的一個(gè)重要途徑，改性劑的濃度決定著對(duì)沸石有效改性的程度。用不同濃度的氯化鐵對(duì)沸石進(jìn)行改性后處理同濃度的含鉻廢水，處理效果如圖1所示。

圖1 不同濃度的氯化鐵改沸石對(duì)含鉻廢水去除率的影響

由圖1可知，氯化鐵改后的沸石相比于未改性的人造沸石，對(duì)鉻的去除能力有了很大的提升。氯化鐵濃度越大，對(duì)鉻的去除效果越好。當(dāng)氯化鐵的濃度為0.4mol/L時(shí)，去除率達(dá)94.6%，處理后的含鉻廢水的出水濃度可達(dá)GB8978－199中規(guī)定的污水一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)（1.5mg/L）。之后氯化鐵濃度再增加，去除效果也還有提升，當(dāng)濃度為0.6mol/L的氯化鐵改性的沸石處理10mg/L的含鉻廢水時(shí)，去除率趨近于100%。但考慮經(jīng)濟(jì)成本，選用氯化鐵的濃度為0.4mol/L為最佳改性劑濃度，之后所用改性沸石均為此濃度改性。

（2）投加量對(duì)改性沸石處理廢水效果的影響

用不同質(zhì)量的改性沸石處理同濃度的含鉻廢水，處理效果如圖2所示。

圖2 不同投加量改性沸石對(duì)鉻去除率的影響

隨著投加量的增加，鉻的去除率大幅增加，當(dāng)投加量為1.5g以后，繼續(xù)增加投加量，鉻的去除率有所增加但效果并不明顯，考慮經(jīng)濟(jì)可行性故選用1.5g為最佳投加量，去除率為91.7%。

（3）pH值對(duì)改性沸石處理廢水效果的影響

pH值既影響吸附劑的表面性質(zhì)，也影響吸附質(zhì)的組成，是吸附過程的重要影響因素。本實(shí)驗(yàn)用相同質(zhì)量的改性沸石處理不同pH值的含鉻廢水，處理效果如圖3所示。

由圖3可知，在酸性條件下，隨著pH值的升高，鉻的去除效果逐漸增加，pH值為5時(shí)鉻的去除效果最好，達(dá)93.5%。在pH值為5－11之間，含鉻廢水的去除率保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)。在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿的條件下，改性沸石對(duì)鉻廢水的去除率都不高，特別是pH值為13時(shí)，去除效果最差。這主要是因?yàn)镃r（VI）的存在形態(tài)取決于反應(yīng)介質(zhì)的pH值，當(dāng) pH 值＝2.2－6.0時(shí)，主要存在形式為CrO42－和 HCrO4－，pH 值＝1.3－2.2時(shí)，主要存在形式為Cr2O72－和 HCrO4－，在pH 值＞6.0的溶液中，CrO42－是主要存在形式［5］，改性沸石對(duì) Cr2O72－的吸附能力要小于CrO42－和HCrO4－，所以在pH值＝5附近吸附效果最好，在pH值為13時(shí)改性沸石對(duì)鉻廢水的去除率達(dá)到最低。

由于所用鉻廢水的pH值為6，其處于去除率較好的范圍，故在之后的實(shí)驗(yàn)中均采用原水的pH值。

3.2 吸附熱力學(xué)研究

在308K的條件下分別研究原沸石和改性沸石對(duì)含鉻廢水的吸附等溫線，結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同pH值對(duì)去除率的影響

圖4 原沸石和改性沸石的吸附等溫線

原沸石對(duì)鉻的平衡吸附量為0.2873mg/g，而改性沸石對(duì)鉻的平衡吸附量為0.7492mg/g，吸附性能提高了近2倍。且在吸附的過程中，原沸石處理后的鉻廢水呈白色渾濁狀，而改性沸石處理后的含鉻廢水則澄清透明。隨著平衡濃度的增大，其對(duì)應(yīng)的平衡吸附量也增大，原因?yàn)槠胶鉂舛却?，吸附推?dòng)力也大，使得平衡吸附量增大。還可以看出，在相同平衡濃度下，改性沸石的平衡吸附量qe明顯大于原沸石，這是由于通過氯化鐵溶液改性沸石，使得改性沸石中“鑲嵌”了較多的鐵離子，使其具有更多的“活性位”，從而顯著提高改性沸石的吸附性能。

本實(shí)驗(yàn)采用Langmuir方程和Freundlich方程擬合吸附等溫線。

Langmuir方程見下式：

Freundlich方程見下式：

其中：K為異相吸附劑的Freundlich常數(shù)，n與吸附推動(dòng)力大小和吸附位的能量分布有關(guān)。

根據(jù)Langmuir方程和Freundlich方程擬合得到的常數(shù)見表1。對(duì)比相關(guān)系數(shù)R2可知，Langmuir方程比Freundlich方程更好地描述鉻在沸石上的吸附行為。

表1 人造沸石和改性沸石吸附等溫線擬合結(jié)果

4 結(jié)論

（1）0.4mol/L的氯化鐵溶液為人造沸石的最佳改性濃度，其對(duì)含鉻廢水的去除率可達(dá)94.6%。最佳投加量為1.5g，鉻去除率為91.7%。pH值在5－11的范圍內(nèi)鉻的去除率都在一個(gè)穩(wěn)定的水平，其中pH值為5時(shí)去除率最高，達(dá)93.5%。

（2）人造沸石對(duì)鉻的平衡吸附量為0.2873mg/g，而改性沸石對(duì)鉻的平衡吸附量為0.7492mg/g，改性后的沸石對(duì)鉻的吸附能力有了顯著的提升。Langmuir方程比Freundlich方程更好地描述鉻在人造沸石和改性沸石上的吸附行為。

（3）使用改性沸石處理含鉻廢水效果好且操作方便，具有廣泛的應(yīng)用空間。

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