粉煤灰基質(zhì)濾料對(duì)水中高低濃度六價(jià)鉻的吸附對(duì)比研究

朱浩強(qiáng)，荊肇乾，黃 新，佟銀子

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)

隨著我國(guó)電鍍、皮革、染色、金屬酸洗和鉻酸鹽等工業(yè)的發(fā)展，重金屬污染物鉻對(duì)環(huán)境的污染越來(lái)越嚴(yán)重。水中Cr(Ⅵ)含量超過環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值，飲用后有致癌危險(xiǎn)。國(guó)家環(huán)保局早已把廢水中的Cr(Ⅵ)列為治理的重點(diǎn)。我國(guó)燃煤電廠每年排出粉煤灰達(dá)7000多萬(wàn)噸，只有少部分得到綜合利用，大部分仍然占用大片土地堆存起來(lái)，嚴(yán)重污染了環(huán)境，破壞了生態(tài)平衡，如何使粉煤灰變廢為寶已成為研究熱點(diǎn)。本文利用粉煤灰基質(zhì)復(fù)合濾料為吸附材料，模擬對(duì)含鉻廢水的吸附，比較了該濾料對(duì)水中高濃度和低濃度Cr(Ⅵ)的吸附效果，并確定了吸附的最佳條件，為該濾料在含鉻廢水的應(yīng)用提供可靠的技術(shù)參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

粉煤灰是燃煤熱電廠等工業(yè)生產(chǎn)中排出的固體廢棄物，其主要成分是SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3等，同時(shí)還含有少量的其它物質(zhì)。粉煤灰具有多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率一般為60% ～75%，比表面積很大，具有較強(qiáng)的吸附能力［1－2］。粉煤灰粉末在實(shí)際工程中應(yīng)用困難，將粉煤灰經(jīng)過一定的活化處理后制成粒徑為8mm的球形均質(zhì)濾料，發(fā)揮其優(yōu)良的吸附性能去除水中污染物。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在含一定濃度Cr(VI)的溶液中加入適量的粉煤灰復(fù)合濾料，置于振蕩器中，在一定溫度下振蕩一定時(shí)間后取適量溶液過濾。濾液用二苯碳酰二肼光度法于540nm處測(cè)定其吸光度［3－6］，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線確定溶液中殘余Cr(VI)離子濃度，并計(jì)算Cr(VI)的去除率。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附時(shí)間的影響

在50mlCr(VI)初始濃度為1.00mg/L的溶液中，投加10g粉煤灰基質(zhì)濾料，溫度控制為35℃，振蕩速度為200r/min，吸附時(shí)間取30min、60min、90min、 120min、 150min、 180min、 210min 和240min，測(cè)定吸附時(shí)間對(duì)其吸附效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

另外在50mlCr(VI)初始濃度為30.00mg/L的溶液中，投加35g粉煤灰基質(zhì)濾料，吸附時(shí)間取30、60、90、120、150和180min，其它操作條件相同，測(cè)定吸附時(shí)間對(duì)其吸附效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖1 吸附時(shí)間對(duì)低濃度Cr(VI)吸附效果的影響Fig.1 The effect of adsorption time on Cr(VI)adsorption with low concentration

圖2 吸附時(shí)間對(duì)高濃度Cr(VI)吸附效果的影響Fig.2 The effect of adsorption time on Cr(VI)adsorption with high concentration

圖1、2表明粉煤灰活性炭對(duì)Cr(VI)的吸附，開始時(shí)速度很快，隨著時(shí)間推移，速度減慢，最后吸附達(dá)到平衡，單位濾料吸附量也符合同樣的吸附規(guī)律。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是在吸附初始階段，吸附劑表面尚有大量空余的吸附位，故初期吸附較快;隨吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，吸附位逐漸被占據(jù)，以及溶質(zhì)擴(kuò)散至吸附劑表面的濃度差 (推動(dòng)力)下降，導(dǎo)致后期吸附困難。

吸附時(shí)間對(duì)低濃度Cr(VI)吸附效果的影響較為顯著，需150min才達(dá)到吸附平衡，而對(duì)高濃度Cr(VI)的吸附60min后便能達(dá)到平衡，且對(duì)高濃度Cr(VI)的吸附率整體高于對(duì)低濃度Cr(VI)的吸附率。單位濾料吸附量也符合同樣的吸附規(guī)律。這是因?yàn)閱挝惑w積內(nèi)Cr(VI)含量提高增加了水中的活化分子數(shù)，加大了Cr(VI)與粉煤灰濾料接觸的機(jī)會(huì)，使得吸附時(shí)間降低的同時(shí)提高了吸附效果。

2.2 濾料用量的影響

在50mlCr(VI)初始濃度為1.00mg/L的溶液中，分別加入5g、10g、15g、20g、25g、30g、35g和40g粉煤灰濾料;另外在50mlCr(VI)初始濃度為30.00mg/L的溶液中，分別加入10g、15g、20g、25g、30g、35g、40g和45g粉煤灰濾料。溫度控制在35℃，振蕩速度為200r/min，振蕩60min后過濾取樣分析，結(jié)果如圖3和4所示。

圖3 濾料用量對(duì)低濃度Cr(VI)吸附效果的影響Fig.3 The effect of filter material amount on low concentration of Cr(VI)adsorption

圖4 濾料用量對(duì)高濃度Cr(VI)吸附效果的影響Fig.4 The effect of filter material amount on high concentration of Cr(VI)adsorption

結(jié)果表明粉煤灰濾料的用量對(duì)Cr(VI)吸附效果的影響非常明顯。隨著濾料量的增加，吸附率也顯著增加。由圖3看出，濾料量的增加使得吸附率不斷增加，但單位吸附量卻迅速下降，可見，處理低濃度Cr(VI)無(wú)法使濾料得到充分的利用。

由圖4可知，在開始階段隨著濾料量的增加，吸附率大幅上升，當(dāng)投加的濾料量為35g時(shí)，吸附率達(dá)到85.25%，單位吸附量也達(dá)到最大值。此后，隨著濾料的繼續(xù)增加，吸附率幾乎保持不變，而單位吸附量卻逐漸下降。

2.3 Cr(Ⅵ)初始濃度的影響

控制Cr(VI)的初始濃度分別為1.00 mg/L、2.00 mg/L、3.00 mg/L、4.00 mg/L、5.00 mg/L、6.00 mg/L，在50 ml溶液中投加10 g濾料;另外控制 Cr(VI)的初始濃度分別為10.00 mg/L、20.00 mg/L、30.00 mg/L、40.00 mg/L、50.00 mg/L和60.00 mg/L，在50 ml溶液中投加35g濾料。溫度控制在35℃下振蕩吸附60 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和6所示。

圖5 初始濃度 (低)對(duì)Cr(VI)吸附效果的影響Fig.5 The effect of initial concentration(low)on Cr(VI)adsorption

圖6 初始濃度 (高)對(duì)Cr(VI)吸附效果的影響Fig.6 The effect of initial concentration(high)on Cr(VI)adsorption

當(dāng)Cr(Ⅵ)的初始濃度較低時(shí)，隨著 Cr(Ⅵ)初始濃度的增加，吸附率逐漸增加，單位吸附量也符合同樣的規(guī)律。對(duì)于初始濃度為6.00mg/L的Cr(Ⅵ)去除率已達(dá)到82.46%。當(dāng)Cr(Ⅵ)的在較低濃度范圍時(shí)，初始濃度的提高在提高吸附率的同時(shí)，可有效提高濾料的綜合利用率。

當(dāng)Cr(Ⅵ)的初始濃度較高時(shí)，隨著溶液初始濃度的增加，雖然去除率在下降，但粉煤灰濾料的單位吸附量在增加。當(dāng)水中Cr(Ⅵ)的初始濃度為60.00 mg/L時(shí)，去除率仍能達(dá)到62.04%。利用該濾料吸附高濃度Cr(Ⅵ)可顯著提高濾料的單位吸附量和利用率。

3 結(jié)論

(1)粉煤灰基質(zhì)濾料對(duì)水中Cr(VI)的吸附效果較好，操作簡(jiǎn)單，以廢治廢，成本低廉，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

(2)吸附時(shí)間對(duì)Cr(VI)吸附過程影響較小，30.00 mg/LCr(Ⅵ)經(jīng)過60 min基本達(dá)到吸附平衡，吸附過程較快。濾料投加量對(duì)Cr(Ⅵ)去除效果影響較大，在粉煤灰基質(zhì)濾料投加量為700 g/L﹑控制溫度為35℃，振蕩時(shí)間為60 min的吸附條件下，粉煤灰基質(zhì)濾料對(duì)初始濃度為30.00mg/L Cr(Ⅵ)的去除率能達(dá)到85.25%以上。

(3)Cr(Ⅵ)初始濃度對(duì)吸附過程影響較大。當(dāng)Cr(Ⅵ)的初始濃度在低濃度范圍 (1～6 mg/L)時(shí)，吸附率和單位吸附量隨初始濃度提高而提高;Cr(Ⅵ)的初始濃度在較高濃度范圍 (10～60 mg/L)時(shí)，隨著Cr(Ⅵ)初始濃度的增加，去除率下降，單位吸附量卻大大提高。將吸附過低濃度Cr(Ⅵ)的濾料用來(lái)吸附高濃度Cr(Ⅵ)可提高濾料的單位吸附量和利用率。

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