香菜對六價鉻的吸附研究

崔泉濤 胡巧開余中山

湖北師范大學城市與環境學院 （湖北黃石 435002）

隨著工業的發展和城鎮現代化建設，廢水大量排放，水體中的重金屬逐漸累加，重金屬污染愈發嚴重。含重金屬廢水主要來源[1]于礦山坑內排水，選礦廠尾礦排水，廢石廠淋浸水，有色金屬冶煉廠除塵排水，有色金屬加工廠酸洗排水，鋼鐵廠酸洗排水，以及電解、農藥、醫藥、油漆、顏料等的排水。主要的重金屬有鉻、銅、汞、鎘、鉛等，其中，鉻[2]是一種銀白色的堅硬金屬，主要以金屬鉻、三價鉻和六價鉻3種形式出現。所有鉻的化合物都有毒性，含六價鉻的化合物毒性最大。六價鉻為吞入性毒物，吸入性極毒物：皮膚接觸可能導致敏感，還可能造成遺傳性基因缺陷；吸入可能致癌。另外，六價鉻對環境有持久性的危害。

鉻的治理方法主要有氧化還原、電解、反滲透、離子交換、活性炭吸附等傳統處理方法以及生物吸附法。在這些處理方法中，氧化還原法[3]處理六價鉻廢水，成本高且會產生二次污染；電化學法處理能力更加全面,對各項指標均保持相當高的去除率，但也可能出現二次污染（六價鉻重新析出）及難以達標的情況；離子交換法中樹脂再生需要消耗大量的化學藥劑，且操作復雜，操作人員勞動強度大，運行成本高。生物吸附法相較于傳統處理方法有很多優勢[4]：生物吸附劑的原料品種多；吸附處理具有操作簡便、pH和溫度范圍寬、吸附速率快、成本低、吸附選擇性好，以及可有效回收部分貴金屬等特點。

目前普遍使用的生物吸附劑花生殼、稻谷殼、玉米芯[5]、竹筍殼[6]等都可用于去除廢水中的重金屬。生物吸附法的本質是利用某些生物本身的化學結構及成分特性吸附溶于水中的重金屬，再通過固液兩相分離將其去除。其中植物系生物吸附劑[7]來源廣泛、無毒、可生物降解、結構多樣，可代替昂貴的離子交換樹脂和活性炭。黃金陽等[8]以蔗渣為原料，通過化學改性制備出蔗渣纖維吸附劑，研究了其對六價鉻的吸附性能，結果表明在吸附劑用量為0.3 g、pH=1、吸附溫度為30℃、吸附時間為2 h的條件下，相應的吸附容量和去除率分別為1.7 mg/g和99.8%。本研究探討了香菜對六價鉻的吸附效果及其主要影響因素，以期開發出一種經濟有效的去除鉻的生物吸附劑。

1 實驗部分

1.1 材料、藥品和儀器

（1） 材料

取自本地農貿市場的香菜，洗凈后用去離子水沖洗3次，置于100℃干燥箱中烘至恒重，研細置于密封袋中備用；實驗所用廢水為重鉻酸鉀配制的模擬廢水。

丙酮、硫酸、磷酸、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、二苯碳酰二肼，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司。

分樣篩，上虞市金鼎標準篩具廠；JJ-4六聯同步電動攪拌器，金壇市中大儀器廠；722 N可見光分光光度計，北京賽多利斯儀器系統有限公司；SHZ-D(Ⅲ）電子天平，上海儀電科學儀器股份有限公司；BS224-S電熱恒溫干燥箱，黃石市恒豐醫療器械有限公司。

1.2 實驗方法

室溫下，在100 mL一定質量濃度六價鉻的模擬廢水中，投加一定量香菜吸附劑，在一定攪拌速率、溫度、pH條件下吸附一定時間后抽濾，測定濾液吸光度，計算剩余六價鉻質量濃度及六價鉻去除率。

1.3 分析方法

六價鉻質量濃度采用二苯碳酰二肼分光光度法測定。六價鉻去除率的計算：φ=（ρ1-ρ2）/ρ1×100%。 其中：ρ1，ρ2分別為吸附前后模擬廢水中六價鉻的質量濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 吸附劑粒徑對去除率的影響

室溫下，在模擬廢水自然pH=6、六價鉻初始質量濃度為20 mg/L的100 mL模擬廢水中，加入不同粒徑的香菜吸附劑各0.2 g，以250 r/min的速率攪拌吸附30 min后過濾，測定濾液吸光度。根據吸附前后六價鉻的質量濃度，計算六價鉻的去除率。結果見圖1。

圖1 吸附劑粒徑對六價鉻去除率的影響

圖1 表明，隨著香菜吸附劑粒徑的減小，鉻的去除率逐漸增大。這是因為吸附劑粒徑越小，其比表面積越大，表面吸附點位越多。但是粒度過細，其加工耗時耗能，吸附后固液分離困難[9]。綜合考慮，后續實驗選用粒徑為90目（167 μm）的香菜吸附劑。

2.2 攪拌吸附時間對去除率的影響

室溫下，在自然pH=6、鉻初始質量濃度為20 mg/L的100 mL模擬廢水中，加入167 μm的香菜吸附劑0.2 g，以250 r/min的速率分別攪拌吸附不同時間后過濾，測定濾液吸光度，計算六價鉻的去除率，考察攪拌時間對去除率的影響，結果如圖2所示。

智慧教育是在信息化環境下實現教育跨越式發展的必然選擇。本文通過研究智慧教育的含義及其對學習生活帶來的價值，從把握智慧真實含義出發，深入探討智慧教育的實踐性、個體性、內隱性、動態性以及高效性等基本特征，挖掘智慧教育對學生學習思維、教師教學方式以及市場發展的價值，以期為今后智慧教育的發展提供一定的理論依據，更加促進學生良好發展。■

圖2 攪拌吸附時間對六價鉻去除率的影響

由圖2知，隨著攪拌時間的延長，六價鉻去除率有所提高，但提高的幅度不大，說明攪拌時間并不是主要的影響因素。綜合考慮，后續實驗選定攪拌吸附時間為60 min。

2.3 吸附劑用量對去除率的影響

改變香菜吸附劑的用量，攪拌吸附時間為60 min，其他條件與2.2相同，考察吸附劑的用量對六價鉻去除率的影響，結果如圖3所示。

圖3 吸附劑用量對六價鉻去除率的影響

由圖3知，隨著吸附劑用量的增加，六價鉻的去除率是先快速增大，其后變得平緩。說明香菜吸附劑用量對鉻的去除率有較大的影響，且在吸附劑用量為1.5 g時，達到吸附平衡，此時鉻的去除率最大，即本實驗條件下最佳吸附劑用量為1.5 g。這是因為：在吸附質的量及其他條件一定時，未達到吸附平衡前，隨著吸附劑用量的增加，其對鉻的去除率也逐漸升高；吸附達到平衡后，六價鉻去除率趨于穩定。

2.4 六價鉻初始質量濃度對去除率的影響

室溫下，在自然pH=6、鉻初始質量濃度不同的100 mL模擬廢水中，各加入167 μm的香菜吸附劑1.5 g，以250 r/min的速率攪拌吸附60 min后過濾，測定濾液吸光度，計算六價鉻的去除率，考察六價鉻初始質量濃度對去除率的影響。結果如圖4所示。

圖4 鉻初始質量濃度對六價鉻去除率的影響

由圖4可知，實驗條件下，六價鉻初始質量濃度為10 mg/L時，六價鉻的去除率最大。這是因為，在其他吸附條件一定的情況下，一定質量的吸附劑對吸附質達到吸附飽和后，再增大吸附質質量濃度，其去除率就會逐漸減小。

2.5 廢水pH對去除率的影響

取5份六價鉻初始質量濃度為10 mg/L、pH不同的模擬廢水各100 mL，其他條件與2.4相同，考察pH對去除率的影響。結果如圖5所示。

圖5 廢水pH對六價鉻去除率的影響

圖5 表明，pH對鉻的去除率有極大的影響。pH≤3時，六價鉻的去除率很高，隨著pH的增大，去除率逐漸降低。考慮到酸度太大的溶液對實驗設備有較強的腐蝕性，選擇pH為3左右較為適宜。當溶液pH較小時，六價鉻主要以HCrO4-，Cr2O72-的形式存在，有利于吸附；香菜吸附劑表面吸附中心的數目也與溶液pH有關。因此，酸性條件更有利于六價鉻的吸附。

2.6 正交試驗

2.6.1 正交試驗設計

由單因素實驗可以看出，pH，六價鉻初始質量濃度及香菜吸附劑用量這三個因素對去除率有較大的影響，故按L9（33）正交表設計正交試驗，具體由表1所示。

表1 正交試驗影響因素及水平取值

2.6.2 正交試驗結果

計算每一種組合條件下的去除率，通過正交試驗找出最佳工藝條件。利用Excel中相關函數[10]進行正交試驗分析，直觀性分析的k值使用SUMIF函數進行計算、極差R[11]使用MAX/MIN函數計算。香菜對六價鉻吸附正交試驗的結果見表2。各影響因素對吸附的影響大小順序為：pH＞六價鉻初始質量濃度＞香菜吸附劑用量。可見，在香菜對六價鉻的吸附過程中，pH的調節至關重要。香菜對六價鉻的吸附最佳工藝條件為A2B3C1，即：在100 mL初始質量濃度為15 mg/L的模擬含鉻廢水中投入167 μm香菜1.0 g，pH=3，攪拌速率為250 r/min，吸附時間為60min。在該最佳條件下的六價鉻去除率為98.2%，處理后廢水中六價鉻的殘余質量濃度為0.27 mg/L，低于GB 8978—1996《國家污水綜合排放標準》[12]中第一類污染物最高允許排放質量濃度。

表2 正交試驗結果

3 香菜對六價鉻吸附機理的探究

3.1 實驗數據分析

表明被吸附物的量與質量濃度之間關系的公式稱為吸附等溫式，目前常用的公式有弗羅因德利希（Freundlich）等溫吸附方程[13]、朗繆爾等溫吸附方程[14]等。在正交試驗確定的最佳工藝下，以不同初始質量濃度探討等溫（25℃）吸附方程，結果見表3。

表3 等溫吸附數據

以lnCe為橫坐標，lnQe為縱坐標作圖，得到Freundlich等溫吸附曲線，如圖6所示。

圖6 弗羅因德利希等溫吸附圖

以Ce為橫坐標，Ce/Qe為縱坐標作圖，得到朗繆爾等溫吸附曲線，如圖7所示。

圖7 朗繆爾等溫吸附圖

分析以上圖表可知，香菜對六價鉻的吸附與Freundlich等溫吸附方程擬合度更高，其吸附方程為Qe=2.6187Ce0.6424。

3.2 吸附機理

方程Qe=2.6187Ce0.6424中n大于1，說明香菜對六價鉻的吸附容易發生，屬于優惠吸附[15]。Freundlich等溫吸附方程假設吸附劑表面是不均勻的，交換吸附平衡常數與表面覆蓋率有關，即表明香菜對六價鉻的吸附過程主要是多層吸附。

4 結論

在香菜對六價鉻吸附的單因素實驗基礎上，進行了三因素三水平正交試驗研究。在正交試驗確定的最佳工藝條件下，探討了香菜對六價鉻的等溫吸附過程。

（1）正交試驗結果表明：影響香菜對六價鉻去除率的大小順序為：pH＞六價鉻初始質量濃度＞吸附劑用量。最佳吸附條件為：六價鉻初始質量濃度為15 mg/L的模擬廢水100 mL，加入167 μm的香菜1.0 g，pH=3，攪拌速率為250 r/min，吸附時間為60 min。在該最佳吸附條件下，香菜對鉻的去除率達到98.2%，廢水中殘留的六價鉻的質量濃度僅為0.27 mg/L，低于GB 8978—1996中第一類污染物最高允許排放質量濃度。

（2）香菜對六價鉻的吸附與Freundlich吸附等溫方程擬合程度較高，吸附方程Qe=2.6187Ce0.6424中n大于1，說明香菜對六價鉻的吸附容易發生，為優惠吸附。