不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維對(duì)電鍍廢水處理的研究

張條蘭，楊偉杰，王花麗

不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維對(duì)電鍍廢水處理的研究

張條蘭*，楊偉杰，王花麗

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南 平頂山 467000）

采用不同織物的活性碳纖維吸附法處理含鉻、鎳、銅電鍍廢水。本文研究了單軸向、雙軸向、多軸向活性碳纖維對(duì)電鍍廢水的滲透率及對(duì)金屬離子的去除率。結(jié)果表明：當(dāng)電解時(shí)間為30 min時(shí)，不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維對(duì)鉻離子、銅離子、鎳離子去除率效果最好。雙軸向活性碳纖維對(duì)電鍍廢水中的金屬離子去除率最高，去除率達(dá)到95.92 %。

電鍍廢水；織物結(jié)構(gòu)；去除率；活性碳纖維

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電鍍行業(yè)也隨之突飛猛進(jìn)，但由于電鍍廢水的成分復(fù)雜，含有不同的重金屬離子和有機(jī)物，給人類(lèi)的生活和環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，因此電鍍廢水的處理成為電鍍行業(yè)發(fā)展中的當(dāng)務(wù)之急。目前，電鍍廢水的處理方法主要有化學(xué)法、物理法、生化法、電絮凝法、離子交換法、膜分離技術(shù)等方法。但這些方法都存在著不同的局限性，傳統(tǒng)的物化法處理效果一般，而且會(huì)產(chǎn)生無(wú)法消除的二次污染；膜分離法電絮凝法和離子交換法是新型的高效處理電鍍廢水的方法，但在實(shí)際操作中經(jīng)濟(jì)成本很高，而且運(yùn)行管理困難，在實(shí)際的應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)；而吸附法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)方便，各方面的成本低，并且在實(shí)際運(yùn)行中取得了較好的處理效果。吸附法主要有生物吸附法、物理吸附法和植物吸附法［1］。本文主要研究了不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維吸附法對(duì)電鍍廢水的處理，并研究了不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維對(duì)電鍍廢水中重金屬離子的處理效果?；钚蕴祭w維具有大的吸附容量、快的吸附速率、較強(qiáng)的吸附能力、好的吸附效果等優(yōu)點(diǎn)。不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維對(duì)電鍍廢水的滲透率不同，對(duì)金屬離子去除率及去除效果也是不同的［2］。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　儀器與試劑

主要儀器：PHS-2F型酸度計(jì)，上海第二分析儀器廠；722 型可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；DF- 101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；電感耦合等離子體ICP光譜儀。

主要試劑和材料：電鍍廢水來(lái)源于鄭州某電鍍廠（含有鉻離子、銅離子、鎳離子等金屬離子）；碳纖維購(gòu)買(mǎi)于常州中簡(jiǎn)科技股份有限公司，其規(guī)格如表1所示。

表1織物規(guī)格

Tab.1　The specifications of fabric

1.2　實(shí)驗(yàn)原理

1.2.1單向法

在單向流動(dòng)試驗(yàn)中，測(cè)定滲透率大小的理論依據(jù)為達(dá)西定律，其原理為：在一定壓力作用下，將一定體積流量的均勻流體通過(guò)某一固定長(zhǎng)度和截面積的纖維增強(qiáng)材料，當(dāng)流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量流體在該長(zhǎng)度范圍內(nèi)的壓力差。利用達(dá)西定律公式變形即可以求得測(cè)試材料的滲透率，如公式（1）所示。

式中：為液體流動(dòng)的前沿位置，m；為液體流動(dòng)時(shí)間，s；為織物的孔隙率，%；為注射壓力，Pa；為滲透率，m2，為樹(shù)脂的黏度，Pa·s。

1.2.2徑向流動(dòng)法

通過(guò)透明的上模（注入樹(shù)脂時(shí)纖維體是用模具密封的，模具上層為透明的，即為透明的上模），觀察和記錄注射口在中心時(shí)流體在恒定壓力下對(duì)纖維體的浸潤(rùn)過(guò)程，從流體前沿的瞬時(shí)形狀得出主滲透率的比值和主方向；同時(shí)用壓力傳感器測(cè)量注射口壓力，代入達(dá)西定律，經(jīng)過(guò)換算求出滲透率，如公式（2）所示。

1.3　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

分別取2.0 g單軸向活性碳纖維、雙軸向活性碳纖維、多軸向活性碳纖維于自制的容器內(nèi)（規(guī)格為L(zhǎng)×B×H=250 mm×120 mm×150 mm，有效容積5 L，厚度為0.5 cm）。電鍍廢水的流向是自上而下，流速為3 mL/min，緩慢流過(guò)不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維，并充分吸附直到碳纖維被完全穿透即達(dá)到飽和的吸附容量為止。以流體入口作為流體的起點(diǎn)（即零點(diǎn)），實(shí)驗(yàn)中記錄流體的充模時(shí)間（）和流體流動(dòng)的前沿位置（），求出2的值。結(jié)合公式（1）、（2），就可計(jì)算出滲透率的值。

采用電感耦合等離子體ICP光譜儀測(cè)定Ni2+、Crn+、Cu2+的質(zhì)量濃度，然后計(jì)算出重金屬離子的去除率。

2　結(jié)果與討論

2.1　不同織物結(jié)構(gòu)對(duì)電鍍廢水的滲透率

單向法所測(cè)不同織物結(jié)構(gòu)滲透率值如表2所示。從表2可以看出，單軸向碳纖維的織物結(jié)構(gòu)方向單一，紗線的方向和織物的纖維排布方向一致，由此產(chǎn)生的流動(dòng)阻力小，所以其滲透率最大；雙軸向碳纖維在其纖維排布的機(jī)構(gòu)中一般有兩個(gè)區(qū)域：第一種區(qū)域纖維束內(nèi)纖維絲之間的孔隙，第二種區(qū)域是纖維束與纖維束之間的孔隙。相對(duì)于第二種區(qū)域來(lái)講，第一種區(qū)域的滲透率要小得多，流體在流動(dòng)過(guò)程中通過(guò)纖維的阻力較大，纖維的浸透較困難，第二種區(qū)域內(nèi)流動(dòng)阻力小，流體的滲透率較大。在多軸向織物中，相鄰兩束纖維之間形成了相對(duì)孔隙較大的區(qū)域，而在縱橫相交處，不同方向的纖維束重疊在一起，產(chǎn)生了較大的流動(dòng)阻力，形成了纖維增強(qiáng)材料中孔隙最小的區(qū)域。也就是說(shuō)，該區(qū)域?qū)α黧w流動(dòng)的阻力最大，使流體很難浸透纖維，因此多軸向織物滲透率最?。?-4］。

徑向法所測(cè)不同織物結(jié)構(gòu)滲透率值如表3所示。可以看出，單軸向碳纖維織物結(jié)構(gòu)沿著纖維方向的流動(dòng)阻力小，滲透率大，垂直與纖維方向的流動(dòng)阻力大，所以其方向上滲透率較小。雙軸向碳纖維無(wú)紗線捆綁，兩個(gè)方向上都有同樣的增強(qiáng)纖維束，流動(dòng)阻力相同，因此兩個(gè)方向上流體的滲透率是相同的。多軸向碳纖維其本身纖維含量較高，不同方向的纖維重疊在一起，使得織物結(jié)構(gòu)的孔隙率低，其對(duì)流體的滲透率較小。同樣的織物結(jié)構(gòu)，用單向法與徑向法所測(cè)的滲透率值是有差別的，徑向法所測(cè)得的織物的滲透率大一些［5-6］。

表2單向法所測(cè)不同織物結(jié)構(gòu)滲透率

Tab.2　The permeability of different fabric structure with one-dimensional method

表3徑向法所測(cè)不同織物結(jié)構(gòu)滲透率

Tab.3　The permeability of different fabric structure with radial method

2.2　不同織物結(jié)構(gòu)對(duì)電鍍廢水金屬離子的去除率

在溫度為25 ℃，電鍍廢水pH=8的條件下，不同織物機(jī)構(gòu)的活性碳纖維吸附對(duì)金屬離子去除率的影響，如圖1、2和圖3所示。由圖1～3可以看出，當(dāng)時(shí)間從5 min增加到30 min時(shí)，不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維對(duì)金屬離子的去除率在遞增。當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到30 min左右的時(shí)候，金屬離子的去處效果達(dá)到最佳狀態(tài)。當(dāng)去除時(shí)間超過(guò)超過(guò)30 min后，隨著處理時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，去除率的提升并不明顯，去除效果趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)樵谔幚磉^(guò)程中，一定時(shí)間內(nèi)去除效果達(dá)到飽和臨界點(diǎn)之后，去除率就趨于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。因此合理的處理時(shí)間為30 min為宜［7-8］。

在30 min時(shí)，金屬離子的去除率達(dá)到最佳值，同時(shí)雙軸向活性碳纖維去除率最大，多軸向碳纖維對(duì)金屬離子的去除率最小。雙軸向碳纖維無(wú)紗線捆綁，纖維束之間的空隙較大，兩個(gè)方向上都有同樣的活性纖維束，流動(dòng)阻力相同，能在兩個(gè)方向同時(shí)對(duì)重金屬離子進(jìn)行吸附，且能更有效快速地對(duì)金屬離子進(jìn)行吸附，且兩個(gè)方向上滲透率是相同的，使電鍍廢水達(dá)到最佳滲透率的同時(shí)，并以最好的去除率對(duì)重金屬離子進(jìn)行處理。多軸向碳纖維其本身纖維含量較高，而且纖維束的分布是多向的，致使纖維束的孔隙率低，其滲透率較小，對(duì)流體的阻力大，對(duì)金屬離子的吸附作用相對(duì)來(lái)說(shuō)小，所以去除率低。

圖1　不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維對(duì)鉻離子的去除

圖2 不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維對(duì)銅離子的去除

圖3 不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維對(duì)鎳離子的去除

3　結(jié)論

研究表明，不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維對(duì)電鍍廢水中的金屬離子進(jìn)行吸附，30 min左右時(shí)去除率達(dá)到最大值；不同織物結(jié)構(gòu)的活性碳纖維對(duì)金屬離子的去除率，雙軸向的活性碳纖維徑向注入滲透率最大，對(duì)金屬離子的去除率最高，達(dá)到最佳值，能達(dá)到較理想的去除效果，金屬離子去除率均達(dá)到95.92 %，且達(dá)到電鍍廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。

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Study on the Treatment of Electroplating Wastewater by Activated Carbon Fibers with Different Fabric Structures

ZHANG Tiaolan*， YANG Weijie， WANG Huali

（He’nan Quality Polytechnic， Pingdingshan 467000， China）

The electroplating wastewater containing chromium， nickel and copper was treated by adsorption of activated carbon fiber （ACF） with different fabrics. The permeability of uniaxial， biaxial and multi-axial activated carbon fibers to electroplating wastewater and the removal rate of metal ions were studied in this paper. The results showed that when the electrolysis time was 30 min， the ACF with different fabric structures had the best removal efficiency of chromium ions， copper ions and nickel ions. The removal rate of metal ions in electroplating wastewater by biaxial ACF was the highest， and the removal rate could reach 95.92 %.

electroplating waste water； fabric structures； removal rate； activated carbon fiber

X781.1

A

10.3969/j.issn.1001-3849.2021.10.012

2020-06-06

2020-09-11

張條蘭（1978-），女，碩士研究生，講師，主要從事電鍍廢水的研究。email： 764136228@qq.com