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    IRA-900樹(shù)脂對(duì)廢水中Cr(VI)的吸附性能

    2021-06-24 10:59:16林輝闕旺鑫韓淑萃楊金杯
    關(guān)鍵詞:吸附樹(shù)脂廢水

    林輝 闕旺鑫 韓淑萃 楊金杯

    摘 要:本文采用離子交換樹(shù)脂處理含Cr(VI)廢水并探討其吸附能力,同時(shí)考察了樹(shù)脂對(duì)Cr(VI)的吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。通過(guò)樹(shù)脂篩選實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出IRA-900為較優(yōu)吸附劑,并進(jìn)一步考察了吸附時(shí)間、樹(shù)脂用量、pH值、溶液初始濃度對(duì)吸附的影響;動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)表明,樹(shù)脂重復(fù)使用6次仍保持較高的吸附量和脫附率,說(shuō)明該樹(shù)脂可重復(fù)再生利用;熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究表明:Langmuir模型能更好地?cái)M合樹(shù)脂對(duì)Cr(VI)的吸附,IRA-900樹(shù)脂對(duì)Cr(VI)的吸附過(guò)程更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,說(shuō)明該吸附過(guò)程主要以化學(xué)吸附為主。

    關(guān)鍵詞:樹(shù)脂;吸附;廢水;Cr(VI)

    中圖分類(lèi)號(hào):TQ028 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ?文章編號(hào):1673-260X(2021)04-0014-07

    近年來(lái),伴隨著人類(lèi)的頻繁活動(dòng),大量重金屬通過(guò)各種形式被排放到大氣、地下水和土壤中,嚴(yán)重污染環(huán)境,生物降解無(wú)法降解重金屬,只能被轉(zhuǎn)化遷移,通過(guò)食物鏈最終聚集在人的體內(nèi),嚴(yán)重威脅到人體健康。重金屬鉻主要以Cr(Ⅲ)和Cr(VI)兩種形態(tài)存在于廢水中,Cr(VI)的毒性比Cr(Ⅲ)大約高出100倍,而且更容易被人體吸收和聚積[1]。電鍍、金屬加工、冶金和制革等行業(yè)產(chǎn)生的大量含Cr(VI)廢水對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[2]。此外Cr(VI)具有強(qiáng)毒性、可致癌、致畸、致突變,并且在人體內(nèi)積累,持久影響人體健康。因此,對(duì)廢水中Cr(VI)的去除逐漸得到更多人的關(guān)注。

    當(dāng)前處理含Cr(VI)廢水的工藝主要有還原沉淀法[3]、電解法[4,5]、生物法[6-12]、膜分離法[13]、離子交換法[14]等。離子交換樹(shù)脂法能高效處理含鉻廢水,并且Cr(VI)可回收,對(duì)處理含鉻廢水具有很大優(yōu)勢(shì)。離子交換法是Cr(VI)的分離、富集最有效的方法之一[14]。

    許多學(xué)者應(yīng)用離子交換樹(shù)脂處理重金屬?gòu)U水。例如,王崇國(guó)[15]等人研究發(fā)現(xiàn)離子交換樹(shù)脂CN-27對(duì)回收含Co2+工業(yè)廢水具有優(yōu)良的效果,回收Co2+取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益;張學(xué)峰[16]等采用D001陽(yáng)離子交換樹(shù)脂從廢水中吸附Cr(Ⅲ),探討了其吸附過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。李雅[17]等采用201×7離子交換樹(shù)脂對(duì)含Mo廢水進(jìn)行靜態(tài)及動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明樹(shù)脂再生3次后吸附效果穩(wěn)定,再生液循環(huán)使用更有利于Mo的回收利用。有鑒于此,本文經(jīng)樹(shù)脂篩選,選用IRA-900樹(shù)脂研究對(duì)Cr(VI)的吸附性能,探究了吸附時(shí)間、樹(shù)脂用量、pH值、溶液初始濃度對(duì)吸附的影響,考察Cr(VI)在樹(shù)脂上的吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué),并開(kāi)展動(dòng)態(tài)吸附和再生實(shí)驗(yàn)研究,為吸附法處理含Cr(VI)廢水提供依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 材料與儀器

    實(shí)驗(yàn)藥品:重鉻酸鉀、氫氧化鈉、磷酸、氯化鈉、二苯碳酰二肼、硫酸、鹽酸、硫酸鈉、硝酸鈉、丙酮均為分析純,購(gòu)買(mǎi)于國(guó)藥集團(tuán)。所用樹(shù)脂IRA-900、719、D201、IRA402、717的性能如表1所示。

    儀器:分析天平(CP214)、水浴恒溫振蕩器(SHA-C)、恒流泵(HL-2B)、恒溫水浴槽(HH-601)、可見(jiàn)分光光度計(jì)(V-5000)、恒溫干燥箱(101-1)。

    1.2 實(shí)驗(yàn)方法

    靜態(tài)實(shí)驗(yàn):稱(chēng)取一定質(zhì)量的樹(shù)脂置于盛有一定Cr(VI)濃度的錐形瓶中,于恒溫振蕩器中進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn),間隔一定時(shí)間取樣進(jìn)行分析,直至吸附平衡。按公式(1)和(2)分別計(jì)算平衡吸附量(Qe,mg/g)、平衡吸附率(η,%)。

    式中:C0和Ce分別表示Cr(VI)溶液初始濃度和平衡濃度,mg/L;m表示樹(shù)脂的用量,g;V表示Cr(VI)溶液體積,mL。

    動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn):稱(chēng)取一定質(zhì)量的樹(shù)脂,預(yù)先在去離子水中浸泡后裝填在離子交換柱中,在一定溫度下將一定濃度的Cr(VI)溶液通過(guò)恒流泵由下往上流經(jīng)離子交換柱,每隔一定時(shí)間測(cè)定流出液的濃度,直至Cr(VI)濃度與初始濃度相等時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。脫附時(shí)將脫附劑流經(jīng)離子交換柱,在出口取樣,當(dāng)出口Cr(VI)濃度接近零時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

    1.3 分析方法

    溶液中Cr(VI)濃度選用二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定,在波長(zhǎng)540nm處測(cè)定Cr(VI)吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程(R2=0.9994)求Cr(VI)濃度。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 樹(shù)脂篩選

    取50mL濃度為100mg/L的Cr(VI)溶液于5個(gè)100mL錐形瓶中,分別加入0.2g的IRA-900、719、D201、IRA402和717樹(shù)脂,置于25℃的振蕩器中吸附24h,取樣測(cè)定Cr(VI)濃度。分別計(jì)算5種樹(shù)脂對(duì)Cr(VI)的吸附率η(%)和平衡吸附量Qe(mg/g),其計(jì)算結(jié)果如表2所示。

    由表2可以看出樹(shù)脂IRA-900的吸附率和平衡吸附量都高于其他幾種樹(shù)脂,故采用該樹(shù)脂進(jìn)行后續(xù)吸附實(shí)驗(yàn)。

    1.3 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

    2.2.1 時(shí)間的影響

    稱(chēng)取0.1g IRA-900樹(shù)脂倒入裝有100mL濃度為100mg/L Cr(VI)溶液的250mL錐形瓶中,在25℃、振蕩頻率為150rpm的恒溫水浴振蕩器中進(jìn)行吸附,每隔一段時(shí)間取樣,計(jì)算樹(shù)脂的吸附量及吸附率,結(jié)果如圖1所示。

    由圖1可知,實(shí)驗(yàn)開(kāi)始60min內(nèi)樹(shù)脂吸附量隨時(shí)間迅速增大,60min后吸附速率漸平緩,240min 后IRA-900樹(shù)脂對(duì)Cr(VI)的吸附基本達(dá)平衡,吸附量和吸附率分別為98.59mg/g和99.32%。

    2.2.2 樹(shù)脂用量的影響

    分別稱(chēng)取0.02g、0.04g、0.06g、0.08g、0.1g、0.15g、0.2g IRA-900樹(shù)脂置于裝有100mL濃度為100mg/L Cr(VI)溶液的錐形瓶中,在25℃下吸附5h后,計(jì)算樹(shù)脂的吸附率,結(jié)果如圖2所示。

    從圖2可知,吸附率隨樹(shù)脂用量的增加而增大。樹(shù)脂用量為0.1g時(shí),吸附率為97.63%,平衡吸附量為97mg/g。繼續(xù)增加樹(shù)脂量,平衡吸附率增加幅度不大,故后續(xù)實(shí)驗(yàn)樹(shù)脂用量為0.1g。

    2.2.3 溶液pH的影響

    將100mL濃度為100mg/L Cr(VI)溶液分別置于11個(gè)250mL錐形瓶中,用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH,再分別加入IRA-900樹(shù)脂0.1g,置于25℃、振蕩頻率為150rpm的振蕩器中吸附5h,計(jì)算樹(shù)脂的平衡吸附量,結(jié)果如圖3所示。

    由圖3可知,pH值在3~10時(shí),樹(shù)脂的平衡吸附量較高,在97.95~99.42mg/g之間;pH值為1、2、11時(shí)吸附量較低,分別為92.94mg/g、95.05mg/g、87.87mg/g。故IRA-900樹(shù)脂吸附Cr(VI)溶液適宜的pH值在3~10之間。當(dāng)pH值為12時(shí),溶液中Cr(VI)將被還原為Cr(Ⅲ),溶液由黃色變?yōu)闇\綠色,故不探究pH值≥12的情況。

    2.2.4 初始溶液濃度的影響

    分別在7個(gè)250mL錐形瓶中加入IRA-900樹(shù)脂0.1g,再分別加入100mL濃度為20~200mg/L的Cr(VI)溶液,置于25℃,振蕩頻率為150rpm的振蕩器中吸附5h,計(jì)算樹(shù)脂的平衡吸附量與吸附率,結(jié)果如圖4所示。

    由圖4可知,隨溶液初始濃度增大,平衡吸附量上升,吸附率逐漸降低。初始濃度較高時(shí),雖然平衡吸附量上升,但吸附率卻大幅降低。在初始濃度為150mg/L時(shí),平衡吸附量為146.78mg/g,此時(shí)吸附率為98.44%。

    2.3 脫附劑的篩選

    在最佳吸附條件下,樹(shù)脂吸附飽和后,將其取出用去離子水洗滌3遍,控干水分后置于錐形瓶中,再分別加入100mL濃度均為1mol/L的NaCl、NaOH、Na2SO4溶液,在25℃的振蕩器中脫附24h。按式(3)計(jì)算樹(shù)脂的脫附率ε,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

    式中:C1表示脫附液中Cr(VI)濃度,mg/L;V1表示脫附液體積,mL。

    從表3中可知,三種脫附劑中NaCl溶液的脫附率最高,可達(dá)65.0%。

    2.4 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

    2.4.1 流量對(duì)吸附的影響

    稱(chēng)取0.5g樹(shù)脂IRA-900,先用去離子水浸泡12h后填入離子交換柱中,恒溫水浴槽溫度設(shè)置在25℃,濃度為400mg/L的Cr(VI)溶液分別以1mL/min、2mL/min、3mL/min經(jīng)過(guò)離子交換柱進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

    從圖5可知,流量越大,Cr(VI)穿透得越快,穿透時(shí)間分別為720min、420min、300min;流量為 1mL/min、2mL/min、3mL/min時(shí),平衡時(shí)吸附量相差不大,分別為160.84mg/g、153.55mg/g、150.30mg/g。為避免流量太大引起樹(shù)脂吸附不夠充分,流量太小穿透時(shí)間過(guò)長(zhǎng),選擇流量為2mL/min作為合適的流量。

    2.4.2 溫度對(duì)吸附的影響

    恒定進(jìn)料流量2mL/min,考察不同溫度對(duì)動(dòng)態(tài)吸附的影響,結(jié)果如圖6所示。

    從圖6可知,在溫度為25℃、35℃、45℃下溶液開(kāi)始穿透的時(shí)間基本都在240min,平衡吸附量分別為153.08mg/g、151.02mg/g、149.95mg/g,溫度的變化對(duì)IRA-900樹(shù)脂吸附Cr(VI)的影響較小,所以后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇25℃進(jìn)行。

    2.4.3 溫度對(duì)動(dòng)態(tài)脫附的影響

    樹(shù)脂吸附飽和后,用1mol/L NaCl溶液進(jìn)行動(dòng)態(tài)脫附實(shí)驗(yàn),脫附劑流量為2mL/min,考察不同溫度對(duì)脫附的影響,結(jié)果如圖7所示。

    從圖7中得出,溫度為25℃、35℃、45℃時(shí),脫附率分別為94.99%、95.83%、96.32%,溫度升高對(duì)樹(shù)脂的脫附率有一定的提升,但考慮溫度過(guò)高對(duì)樹(shù)脂的穩(wěn)定性以及裝置的氣密性有更高的要求,故脫附溫度定為35℃。

    2.4.4 流量對(duì)脫附的影響

    溫度恒定35℃,將脫附劑流量分別設(shè)置為0.5mL/min、1.0mL/min、1.5mL/min進(jìn)行脫附實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖8所示。

    從圖8可看出脫附劑流量越大,出口溶液濃度越小。流量為0.5mL/min、1.0mL/min、1.5mL/min時(shí),脫附率分別為87.46%、95.01%、95.89%,但考慮流量過(guò)大會(huì)使脫附液使用量過(guò)多,過(guò)小又達(dá)不到較好脫附效果,在流量為1.0mL/min時(shí),脫附率能夠達(dá)到95.01%,故實(shí)驗(yàn)選擇1.0mL/min為適宜的脫附劑流量。

    2.4.5 重復(fù)實(shí)驗(yàn)

    吸附實(shí)驗(yàn)條件:0.5g IRA-900樹(shù)脂、流量2.0mL/min、溫度為25℃,濃度為400mg/L的Cr(VI)溶液;脫附條件:脫附劑1mol/L NaCl溶液、溫度35℃、流量1.0mL/min,重復(fù)6次吸附-脫附實(shí)驗(yàn),計(jì)算每次實(shí)驗(yàn)樹(shù)脂的平衡吸附量和脫附率,得到表4。

    從表4中可看出,樹(shù)脂隨著再生次數(shù)的增加,吸附量逐步的下降,但在重復(fù)實(shí)驗(yàn)6次后,還能保持較高的吸附量和脫附率,說(shuō)明該樹(shù)脂能重復(fù)再生利用。

    2.4.6 電鏡掃描

    對(duì)重復(fù)吸附-脫附實(shí)驗(yàn)6次后的IRA-900樹(shù)脂進(jìn)行電鏡掃描,與未吸附的IRA-900樹(shù)脂進(jìn)行樹(shù)脂機(jī)械強(qiáng)度的對(duì)比,如圖9、10所示。

    由圖9、10對(duì)比可知,未吸附的樹(shù)脂與經(jīng)過(guò)重復(fù)6次實(shí)驗(yàn)的樹(shù)脂的表面基本一致,沒(méi)有明顯破碎,這說(shuō)明經(jīng)過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)的樹(shù)脂依舊能夠保持最初的結(jié)構(gòu),未被損耗破壞,機(jī)械強(qiáng)度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

    2.5 吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)

    2.5.1 吸附等溫線

    為考察樹(shù)脂IRA-900吸附Cr(VI)的熱力學(xué)特征,配制一系列濃度為100mg/L、200mg/L、300mg/L、400mg/L、500mg/L的Cr(VI)溶液,加入0.1g樹(shù)脂 IRA-900,分別在溫度為25℃、35℃、45℃下振蕩吸附5h達(dá)平衡后,計(jì)算其平衡吸附量Qe。

    采用Langmuir和Freundlich兩種吸附等溫模型來(lái)描述IRA-900樹(shù)脂對(duì)Cr(VI)的吸附行為。分別通過(guò)式(4)、(5)[19]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖11、12所示。

    式中:Qm為飽和吸附量,mg/g;KL為L(zhǎng)angmuir吸附平衡常數(shù),Kf為Freundlich吸附平衡常數(shù);n為吸附強(qiáng)度特征常數(shù)。

    通過(guò)擬合可得到各模型的相關(guān)參數(shù),如表5所示。

    由圖11、12和表5可知,Langmuir的相關(guān)系數(shù)比Freundlich的大,均大于0.999,表示Langmuir模型更能體現(xiàn)該吸附過(guò)程。

    2.5.2 熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算

    吸附系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)自由能變化(ΔG)可通過(guò)式(6)計(jì)算。利用式(7)以lnKL對(duì)1/T作圖,得到圖13。根據(jù)直線的斜率和截距可求出焓變(ΔH)和熵變(ΔS),如表6所示。

    由表6可知,該吸附過(guò)程焓變?chǔ)<0,反應(yīng)過(guò)程屬于放熱反應(yīng),即降溫利于反應(yīng)的進(jìn)行,但焓變值較小,溫度的影響并不大;熵變?chǔ)>0,說(shuō)明該過(guò)程屬于熵增加過(guò)程,系統(tǒng)混亂度增加;并且該吸附過(guò)程的ΔG<0,表示反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。

    2.5.3 吸附動(dòng)力學(xué)

    在100mL濃度為100mg/L的Cr(VI)溶液中,加入0.1g樹(shù)脂IRA-900進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn),間隔一定時(shí)間測(cè)定Cr(VI)溶液的濃度,算出吸附量Qt,分別考察在25、35、45℃下吸附量隨時(shí)間的變化曲線,如圖15所示。

    從圖14中可知,在整個(gè)吸附過(guò)程中吸附量都是先快速增加,然后逐漸緩慢增加,最后在120min后慢慢趨于平衡保持不變。在溫度為25℃、35℃、45℃下,平衡吸附量分別是98.1mg/g、97.3mg/g、94.9mg/g。不同溫度下,IRA-900樹(shù)脂的平衡吸附量隨溫度變化不明顯。

    分別通過(guò)準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)和顆粒內(nèi)擴(kuò)散(8)、(9)和(10)三種模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,擬合結(jié)果如圖15、16和17所示。

    式中:Qt為t時(shí)刻的吸附量,mg/g;吸附時(shí)間t,min;準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)k1,min-1;準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)k2,g/(mg·min);顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)ki,mg/(g·min1/2);厚度和邊界層常數(shù)C。

    通過(guò)直線的斜率和截距求出各模型的具體參數(shù),如表7所示。

    由表7可知,各個(gè)溫度下的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)系數(shù)R2>0.99,準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型的相關(guān)系數(shù)則比較差。準(zhǔn)二級(jí)比準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠更好地?cái)M合出IRA-900樹(shù)脂對(duì)Cr(VI)的吸附過(guò)程,且說(shuō)明了該吸附過(guò)程主要是以化學(xué)吸附為主。另外顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合得到的三條直線均不通過(guò)原點(diǎn),這說(shuō)明該吸附過(guò)程會(huì)受到顆粒內(nèi)擴(kuò)散以及液膜擴(kuò)散等諸多因素的影響[20]。

    3 結(jié)論

    (1)對(duì)IRA-900、719、D201、IRA402、717等5種樹(shù)脂進(jìn)行篩選,得出吸附率和平衡吸附量均較好的IRA-900樹(shù)脂進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)樹(shù)脂用量為0.1g;pH值在3~10之間;Cr(VI)初始濃度為150mg/L時(shí),樹(shù)脂平衡吸附量為146.78mg/g,吸附率為98.44%;在NaCl、NaOH、Na2SO4中篩選出脫附效果最佳的NaCl溶液為脫附劑,靜態(tài)脫附率可達(dá)65.0%。

    (2)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。較佳的吸附條件為:流量2.0mL/min,溫度25℃,此時(shí)樹(shù)脂吸附量為153.08mg/g;較佳的脫附條件為:溫度35℃,流量1.0mL/min,此時(shí)脫附率可達(dá)95.01%。在最佳吸附、脫附條件下,對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行6次重復(fù)再生實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:樹(shù)脂表面無(wú)破碎,且能保持較高吸附量及脫附率。

    (3)熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明該吸附過(guò)程符合Langmuir吸附等溫模型,ΔH=-8.85kJ/mol表示該過(guò)程為放熱反應(yīng);ΔS=0.022J/(mol·K)>0,說(shuō)明該過(guò)程屬于熵增加過(guò)程,系統(tǒng)混亂度增加;ΔG<0表示該過(guò)程為自發(fā)的。

    (4)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)采用三種模型對(duì)吸附過(guò)程進(jìn)行描述,其中準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程在各個(gè)溫度下的相關(guān)系數(shù)R2>0.99,所以準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠更好地反映出IRA-900樹(shù)脂對(duì)Cr(VI)的吸附機(jī)制,說(shuō)明該吸附過(guò)程主要是以化學(xué)吸附為主。通過(guò)顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合得到的三條直線均不通過(guò)原點(diǎn),這說(shuō)明該吸附過(guò)程會(huì)受到顆粒內(nèi)擴(kuò)散以及液膜擴(kuò)散等諸多因素的影響。

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