木質素處理工業含鉻廢水的實驗研究

向 浩 汪博文 邢 晶 梁小月 王代芝

湖北師范大學城市與環境學院 (湖北黃石 435002)

近年來，全國各地鉻污染事件頻繁出現，治理鉻毒污染的工作引起廣泛的重視。鉻是一種不活潑金屬，而六價鉻（Cr6+）很容易被人體吸收，它可通過消化道、呼吸道、皮膚及黏膜侵入人體。過量鉻的攝入不僅對人體有害，而且還污染環境。其中六價鉻的危害比三價鉻更大，可能造成遺傳性基因缺陷，吸入可能致癌、肺充血等[1]。

重金屬鉻及其化合物在產業中具有很高的利用價值，成為某些行業的必需原料，如冶金、電鍍、印染、染料、制革等行業，但同時也產生大量的含鉻廢水，導致水體的污染和環境的破壞，直接威脅到人類的生命健康和水生動物的生殖繁衍[2]。

目前含鉻廢水的處理方式主要有化學沉淀法、電解還原法、生物法、離子交換法、吸附法等[3]。由于吸附法具有高效、易于操作、成本低廉的特點，在廢水處理方面得到了廣泛應用[4]。

木質素是一種來源豐富、價格低廉且無毒性的可再生資源。制漿造紙工業廢水中常含有大量木質素，對其進行回收、改性，制成改性木質素產品，既可有效解決造紙廢水的環境污染問題，又能將其變廢為寶，產生經濟效益[5-6]。

1 實驗部分

1.1 藥品與儀器

藥品：丙酮、硫酸、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；木質素磺酸鈣，山東優素化工科技有限公司。

儀器：可見分光光度計，上海元析儀器有限公司；THZ-82恒溫振蕩器，常州國華電器有限公司；混凝試驗攪拌儀器，武漢市梅宇儀器有限公司；SHZ-D(Ⅲ)電子天平，上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.2 實驗廢水

實驗廢水為模擬工業廢水，其pH約為6，廢水中Cr6+的質量濃度為6 mg/L。用木質素對廢水進行吸附處理，用二苯碳酰二肼分光光度法測定廢水中的Cr6+含量。

1.3 Cr6+標準曲線的繪制

向一系列100 mL的比色管中分別加入0，0.20，0.50，1.00，2.00，4.00，8.00 和 10.00 mL 鉻標準溶液，用蒸餾水稀釋至100 mL；各加入0.5 mL硫酸溶液和0.5 mL磷酸溶液，搖勻，再加入2 mL顯色劑，搖勻；放置10 min后，以蒸餾水為參比，在540 nm波長處，用光程10 mm的比色皿測定吸光度。以吸光度為縱坐標，Cr6+質量濃度為橫坐標，繪制標準曲線，如圖1所示。

2 結果與討論

2.1 反應時間對廢水處理效果的影響

圖1 鉻離子的標準曲線

向5個250 mL的燒杯中各加入100 mL廢水以及 0.5 g 木質素，分別處理 2，4，6，8 及 10 min，取 10 mL上層清液，放置10 min后，以蒸餾水為參比，測定吸光度。以Cr6+去除率為縱坐標，時間為橫坐標，繪制曲線，如圖2所示。

圖2 反應時間對廢水處理效果的影響

由圖2可以看出，反應時間在2～6 min之間，Cr6+去除率呈上升趨勢，隨著反應時間的延長，Cr6+去除率變得緩慢下降。這是因為：在反應初期，Cr6+的質量濃度較大，Cr6+在溶液中擴散以及在空隙中擴散的推動力的作用也比較大，并且木質素表面有很多裸露的基團，可以快速吸附Cr6+，因此反應初期Cr6+去除率快速上升；但隨著反應的進行，溶液中的Cr6+質量濃度逐漸變小，木質素表面的基團也逐漸飽和，所以隨著反應時間的延長，Cr6+去除率逐漸下降。處理時間在5～8 min之間時，Cr6+去除效果較好。考慮到時間因素，后續實驗的處理時間均選用5 min。

2.2 木質素的用量對廢水處理效果的影響

分別稱取 0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 及 1.2 g 木質素置于6個250 mL的燒杯中，各加入100 mL廢水，處理5 min后，取10 mL上層清液，以蒸餾水為參比，測定吸光度。以Cr6+去除率為縱坐標，木質素質量為橫坐標，繪制曲線，如圖3所示。

圖3 木質素的用量對廢水處理效果的影響

由圖3可以得出：在其他條件不變的情況下，隨著木質素投加量的增加，Cr6+的去除率不斷增大；當木質素用量為0.6 g左右時，Cr6+的去除率處于最大值；當木質素用量大于0.6 g后，Cr6+的去除率逐步下降。這是因為：Cr6+質量濃度不變，木質素投加量的增加使較多的吸附基團裸露，導致溶液中的Cr6+被快速去除。在Cr6+質量濃度不變、木質素用量較少的情況下，單位質量木質素的吸附容量大。當有過多的木質素加入時，在有限的Cr6+質量濃度下，木質素之間將會產生競爭，并且木質素具有較強的黏性，過多的木質素可能在溶液中產生絮凝物，導致吸附效果下降。由圖3可見，在木質素用量為0.005～0.006 g/mL時，Cr6+的處理效果較好。綜合考慮，確定后續實驗木質素的用量均為0.005g/mL。

2.3 廢水pH對處理效果的影響

向7個250 mL的燒杯中各加入100 mL廢水，然后調節其 pH 分別為3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，9.0，再各加入0.5 g木質素，處理5 min后，取10 mL上層清液，放置10 min后，以蒸餾水為參比，測定吸光度。以Cr6+去除率為縱坐標，pH為橫坐標，繪制曲線，如圖4所示。

圖4 pH對廢水處理效果的影響

由圖4可以看出：在一定pH范圍內，木質素對Cr6+的去除率隨著pH的升高而下降不明顯；當pH在4～8之間時去除率趨于穩定，pH大于8之后去除率逐漸下降；Cr6+的去除率總體上呈現出下降的趨勢。這是因為：在強酸性環境下，Cr6+主要以HCrO-、Cr2O72-或者CrO42-陰離子狀態存在。由于溶液pH影響木質素表面的質子化過程，而質子化程度又與吸附效果緊密相連，因此酸性條件下有利于Cr6+的吸附。圖4顯示廢水處理的最佳pH小于4，但pH越低，對設備的要求越高，綜合考慮，廢水處理較適宜的 pH 為 4～8。

2.4 廢水溫度對處理效果的影響

向6個250 mL的燒杯中各加入100 mL廢水，再各加入0.5 g木質素，然后放入恒溫振蕩儀，將溶液溫度分別調節到 15，20，25，30，35 及 40℃， 處理5 min后，取10 mL上層清液，放置10 min后，以蒸餾水為參比，測定吸光度。以Cr6+去除率為縱坐標，溫度為橫坐標，繪制曲線，如圖5所示。

圖5 溫度對廢水處理效果的影響

由圖5結果可以看出，在一定范圍內，溫度對木質素吸附去除Cr6+的影響較小。在15～40℃范圍內，Cr6+的去除率維持在70%左右。可見，用木質素處理含Cr6+廢水時對溫度沒有特殊要求，在常溫下即能達到較好的處理效果。

2.5 廢水Cr6+質量濃度對處理效果的影響

配制 Cr6+質量濃度為 2，4，6，8，10 和 12 mg/L 的廢水，并分別量取100mL置于6個250 mL的燒杯中，各加入0.5 g木質素，處理5 min，取10 mL上層清液，放置10 min后，以蒸餾水為參比，測定吸光度。以Cr6+去除率為縱坐標，廢水Cr6+質量濃度為橫坐標，繪制曲線，如圖6所示。

圖6 廢水Cr6+質量濃度對處理效果的影響

實驗過程中廢水質量濃度不夠精確，但誤差在允許的范圍內，因此結果可靠。由圖6可以看出：在其他反應條件不變的情況下，廢水Cr6+質量濃度從2.2 mg/L逐漸增加到6 mg/L，Cr6+去除率從53%增加到70.5%；廢水Cr6+質量濃度從6 mg/L增加到10.5 mg/L時，Cr6+去除率逐漸減小。這是因為：隨著Cr6+質量濃度的增加，木質素的活性位點被越來越多的游離Cr6+所包圍。當溶劑中無更多木質素的補充時，相對有限的活性位點不足以為更多的Cr6+吸附提供便利條件，木質素吸附達到飽和，使得Cr6+的進一步去除變得困難，因此Cr6+的去除率會逐漸降低。

綜上所述，木質素吸附Cr6+時的最佳質量濃度為6 mg/L，也說明該方法只能用于低Cr6+質量濃度的含鉻廢水。

3 結論

（1）當木質素的投加量為0.5 g、廢水pH在4～8之間、攪拌時間為5 min時，對100 mL Cr6+質量濃度為6 mg/L左右的廢水中Cr6+的吸附效果較好。

（2）溶液pH對Cr6+去除率的影響不是很大：當pH小于8時，Cr6+去除率保持在一個較佳的水平；當pH大于8時，Cr6+去除率下降。溫度對Cr6+去除效果的影響不大，工業上用木質素處理含Cr6+廢水時，對溫度沒有特殊要求。

（3）處理高質量濃度含Cr6+廢水時，可用木質素先進行預處理，再用其他方法進行深度處理。