硝酸鐵改性活性炭吸附廢水中六價(jià)鉻的研究

王景香 王艷霞 張青華 張占偉

摘 要：采用硝酸鐵改性活性炭（Fe-GAC）吸附廢水中Cr6+，并與未改性的顆粒活性炭（GAC）對比，考察吸附時間、溶液的pH值、溫度對Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，①隨著吸附時間的增加，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均增加，1.5 h前Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率增加顯著，之后吸附率增加較慢，趨于平穩(wěn);②隨著pH值的增加，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均降低，當(dāng)pH≤6時，兩者的吸附效果都較好，pH值越小，吸附效果越好;③隨著溫度的升高，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明顯加快;④采用硝酸鐵對活性炭進(jìn)行表面化學(xué)修飾，使改性后活性炭吸附Cr6+的能力提升，提高了對水中Cr6+的去除率。硝酸鐵改性活性炭可作為吸附劑用于實(shí)際工業(yè)含鉻廢水的處理。

關(guān)鍵詞：硝酸鐵;活性炭;吸附能力;六價(jià)鉻

中圖分類號：X52 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）10-0084-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.019

Adsorption of Hexavalent Chromium from Wastewater by Ferric

Nitrate Modified Activated Carbon

WANG Jingxiang? ? WANG Yanxia? ? ZHANG Qinghua? ? ZHANG Zhanwei

（Henan Kelon Environmental Engineering Co.， Ltd.， Jiyuan 459000，China）

Abstract：The adsorption of Cr6+ from wastewater by modified ferric nitrate activated carbon （Fe-GAC） is compared with that by unmodified granular activated carbon （GAC）. The effects are investigated about adsorption time， pH value of solution and temperature on the adsorption capacity of Fe-GAC and GAC. The results show that， ①The adsorption rates of Fe-GAC and GAC for Cr6+ increase with the increase of adsorption time. The adsorption rates of Fe-GAC and GAC for Cr6+ increase significantly before 1.5 h， and then increase slowly and level off;②With the increase of pH value， the adsorption rates of Fe-GAC and GAC for Cr6+ decrease. When the pH value is less than or equal to 4， the adsorption effect of both is better， the lower the pH value， the better the adsorption effect;③With the increase of temperature， the adsorption capacity of Fe-GAC and GAC for Cr6+ is greatly improved， and the adsorption rate is obviously accelerated;④The surface chemical modification of activated carbon with ferric nitrate improves the adsorption capacity of Cr6+ and the removal rate of Cr6+ in water. It can be used as adsorbent for the treatment of industrial wastewater containing chromium.

Keywords：ferric nitrate;activated carbon;adsorption capacity;hexavalent chromium

0 引言

鉻及其化合物作為重要的化工原料廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，鉻化合物的消費(fèi)量逐年增加，鉻及其化合物在生產(chǎn)過程中不可避免地產(chǎn)生大量含鉻廢水。含鉻廢水主要來源于電鍍、化工、冶金等多個行業(yè)[1]，尤其電鍍行業(yè)產(chǎn)生的含鉻廢水最多。含鉻廢水的危害與廢水中鉻的價(jià)態(tài)有關(guān)，廢水中主要有Cr3+和Cr6+兩種價(jià)態(tài)，Cr6+與Cr3+具有更強(qiáng)的致癌和致突變能力;同時，Cr6+具有很強(qiáng)的氧化能力和遷移能力，會對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2-3]。隨著環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，越來越多的科研工作者在廢水處理技術(shù)開發(fā)方面做了大量的工作[4-8]?；钚蕴坑捎谄浔砻娲嬖诖罅康暮徐o電吸附功能的官能團(tuán)，可以對廢水中Cr6+進(jìn)行吸附，且活性炭具有吸附效率高、吸附性能穩(wěn)定、操作費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于含鉻廢水的處理[9-10]。本試驗(yàn)采用硝酸鐵改性活性炭（Fe-GAC）吸附廢水中Cr6+，并與未改性的顆?；钚蕴浚℅AC）做對比，考察吸附時間、溶液的pH值、溫度對Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影響，擬尋找一種有效處理廢水中Cr6+的吸附劑。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器與原料

1.1.1 試驗(yàn)儀器。恒溫振蕩器（THZ-312）;分光光度計(jì)（752型）;電干燥箱（DHG-9030）。

1.1.2 試驗(yàn)原料。顆?；钚蕴浚℅AC）、硝酸鐵、重鉻酸鉀、H2SO4、NaOH、HCl等。

1.1.3 制備硝酸鐵改性活性炭。將10 g活性炭加入100 mL濃度為0.2 mol/L的Fe（NO3）3溶液中，混勻后放置在90 ℃恒溫水浴中振蕩5 h。之后取出活性炭用蒸餾水反復(fù)沖洗，然后將沖洗后的活性炭放入干燥箱，于110 ℃下烘干至恒重，最后再放入電爐，于150 ℃烘焙5 h，即得到硝酸鐵改性活性炭（Fe-GAC）。

1.1.4 模擬含鉻廢水的配制。將固體重鉻酸鉀置于110 ℃干燥箱中干燥2 h，配成質(zhì)量濃度為50 mg/L的溶液。同時配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的H2SO4溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液用于處理活性炭和調(diào)節(jié)含鉻廢水的pH值。

1.2 試驗(yàn)方法

稱取1 g吸附材料，加入盛有25 mL質(zhì)量濃度為50 mg/L的K2Cr2O7溶液的錐形瓶中。在指定溫度下攪拌規(guī)定時間，立即抽濾，將濾液移入50 mL容量瓶中，加2.5 mL二苯氨基脲指示劑，靜置10 min后，用分光光度計(jì)在波長540 nm處測其吸光值，對比標(biāo)準(zhǔn)曲線確定其濃度，根據(jù)濃度的變化計(jì)算吸附率。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附時間對吸附率的影響

試驗(yàn)初始條件：改性前后活性炭各1 g，Cr6+初始質(zhì)量濃度為50 mg/L，pH值為4，溫度為45 ℃。吸附時間與吸附率的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，隨著吸附時間的增加，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均增加。當(dāng)吸附時間從0.5 h增加到1.5 h時，F(xiàn)e-GAC對Cr6+的吸附率從7.3%增加到35.8%，增加了28.5%;GAC對Cr6+的吸附率從5.5%增加到30.5%，增加了25%。當(dāng)吸附時間從2 h增加到4 h時，F(xiàn)e-GAC對Cr6+的吸附率從38.8%增加到45.2%，增加了6.4%;GAC對Cr6+的吸附率從34.4%增加到38.5%，增加了4.1%。由以上數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附率在1.5 h前增加顯著，吸附時間增加1 h，吸附率分別增加了28.5%、25%;當(dāng)吸附時間大于2 h時，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均增加緩慢，吸附時間增加2 h，F(xiàn)e-GAC的吸附率僅增加6.4%，GAC的吸附率僅增加4.1%。造成這種現(xiàn)象的主要原因是吸附前期，F(xiàn)e-GAC和GAC表面活性位點(diǎn)較多，可在短時間內(nèi)吸附較多的Cr6+。隨著吸附時間的延長，活性點(diǎn)位越來越少，造成吸附速率降低，吸附率增加緩慢。由圖1可知，在整個階段，F(xiàn)e-GAC的吸附率一直比GAC的吸附率高。原因主要是改性后的活性炭表面含氧官能團(tuán)數(shù)量比未改性活性炭的多，提高了其吸附能力;同時改性后活性炭表面的吸附活性位點(diǎn)增加，以上原因?qū)е翭e-GAC的吸附率比GAC的吸附率高[4]。

2.2 pH值對吸附率的影響

試驗(yàn)初始條件：改性前后活性炭各1 g，Cr6+的初始濃度為50 mg/L，吸附時間為2 h，溫度為45 ℃，采用氫氧化鈉和稀硫酸調(diào)整pH值。pH值與吸附率的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)pH值為2～6時，隨著pH值的升高，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均顯著降低。Fe-GAC對Cr6+的吸附率從92.9%降至32.9%，降低了60%;GAC對Cr6+的吸附率從88.2%降至20.2%，降低了68%。當(dāng)pH值為7～9時，隨著pH值的升高，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附率變化不明顯，F(xiàn)e-GAC對Cr6+的吸附率從20.5%降至16.2%，降低了4.3%;GAC對Cr6+的吸附率從10.8%降至9.8%，降低了1%。由以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)pH≤4時，F(xiàn)e-GAC和GAC均有較好的吸附性能，pH值越小，吸附效果越好。說明在偏酸性條件下，F(xiàn)e-GAC和GAC的吸附能力都很好。這主要與Cr6+的存在形式有關(guān)，在偏酸性條件下，Cr6+主要以HCrO4-形式存在，HCrO4-帶負(fù)電，pH值越小，活性炭表面H+濃度越高，使其與HCrO4-的靜電引力越大，吸附效果較好。

2.3 溫度對吸附率的影響

試驗(yàn)初始條件：改性前后活性炭各1 g，Cr6+的初始質(zhì)量濃度為50 mg/L，吸附時間2 h，pH值為4。溫度與吸附率的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，隨著溫度的升高，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)溫度從25 ℃升高到45 ℃時，F(xiàn)e-GAC的吸附率從35.8%上升到60.3%，增加了24.5%;GAC的吸附率從32.5%上升到54.8%，增加了22.3%，F(xiàn)e-GAC和GAC的吸附率均明顯增加。當(dāng)溫度從45 ℃升高到60 ℃時，F(xiàn)e-GAC的吸附率從60.3%上升到62.1%，增加了1.8%;GAC的吸附率從54.8%上升到57.1%，增加了2.3%，F(xiàn)e-GAC和GAC的吸附率增加緩慢。根據(jù)吸附熱力學(xué)原理，物理吸附是一個放熱過程，升高溫度會使吸附水平降低，而由基團(tuán)靜電吸引而引發(fā)的化學(xué)吸附是吸熱過程，升高溫度有利于化學(xué)吸附的進(jìn)行。由圖3可以看出，隨著溫度的升高，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明顯加快。Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附過程同時滿足物理吸附和化學(xué)吸附，其中化學(xué)吸附占主導(dǎo)地位。故升高溫度有利于提升活性炭對Cr6+的吸附性能。

3 結(jié)論

采用硝酸鐵改性活性炭（Fe-GAC）吸附廢水中Cr6+，并與未改性的顆粒活性炭（GAC）做對比，考察吸附時間、溶液的pH值、溫度對Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影響，得到以下4個結(jié)論。

①隨著吸附時間的增加，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均增加。在1.5 h前，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附率增加顯著，之后吸附率增加較慢，趨于平穩(wěn)。

②隨著pH值的增加，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均降低。當(dāng)pH≤4時，兩者的吸附效果都較好，pH值越小，吸附效果越好。

③隨著溫度的升高，F(xiàn)e-GAC和GAC對Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明顯加快。

④采用硝酸鐵對活性炭進(jìn)行表面化學(xué)修飾，使改性后活性炭吸附Cr6+的能力提升，提高了對水中Cr6+的去除率，可作為吸附劑用于實(shí)際工業(yè)含鉻廢水的處理。

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