不同織物結構的活性碳纖維對電鍍廢水處理的研究

張條蘭，楊偉杰，王花麗

不同織物結構的活性碳纖維對電鍍廢水處理的研究

張條蘭*，楊偉杰，王花麗

（河南質量工程職業學院，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電鍍廢水的滲透率及對金屬離子的去除率。結果表明：當電解時間為30 min時，不同織物結構的活性碳纖維對鉻離子、銅離子、鎳離子去除率效果最好。雙軸向活性碳纖維對電鍍廢水中的金屬離子去除率最高，去除率達到95.92 %。

電鍍廢水；織物結構；去除率；活性碳纖維

近年來，隨著經濟的發展，電鍍行業也隨之突飛猛進，但由于電鍍廢水的成分復雜，含有不同的重金屬離子和有機物，給人類的生活和環境造成了嚴重的污染，因此電鍍廢水的處理成為電鍍行業發展中的當務之急。目前，電鍍廢水的處理方法主要有化學法、物理法、生化法、電絮凝法、離子交換法、膜分離技術等方法。但這些方法都存在著不同的局限性，傳統的物化法處理效果一般，而且會產生無法消除的二次污染；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，但在實際操作中經濟成本很高，而且運行管理困難，在實際的應用中難以實現；而吸附法設備簡單，操作簡方便，各方面的成本低，并且在實際運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構的活性碳纖維吸附法對電鍍廢水的處理，并研究了不同織物結構的活性碳纖維對電鍍廢水中重金屬離子的處理效果。活性碳纖維具有大的吸附容量、快的吸附速率、較強的吸附能力、好的吸附效果等優點。不同織物結構的活性碳纖維對電鍍廢水的滲透率不同，對金屬離子去除率及去除效果也是不同的［2］。

1　實驗

1.1　儀器與試劑

主要儀器：PHS-2F型酸度計，上海第二分析儀器廠；722 型可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司；DF- 101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州長城科工貿有限公司；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）；碳纖維購買于常州中簡科技股份有限公司，其規格如表1所示。

表1織物規格

Tab.1　The specifications of fabric

1.2　實驗原理

1.2.1單向法

在單向流動試驗中，測定滲透率大小的理論依據為達西定律，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某一固定長度和截面積的纖維增強材料，當流動達到穩定時，測量流體在該長度范圍內的壓力差。利用達西定律公式變形即可以求得測試材料的滲透率，如公式（1）所示。

式中：為液體流動的前沿位置，m；為液體流動時間，s；為織物的孔隙率，%；為注射壓力，Pa；為滲透率，m2，為樹脂的黏度，Pa·s。

1.2.2徑向流動法

通過透明的上模（注入樹脂時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流體在恒定壓力下對纖維體的浸潤過程，從流體前沿的瞬時形狀得出主滲透率的比值和主方向；同時用壓力傳感器測量注射口壓力，代入達西定律，經過換算求出滲透率，如公式（2）所示。

1.3　實驗過程

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（規格為L×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，緩慢流過不同織物結構的活性碳纖維，并充分吸附直到碳纖維被完全穿透即達到飽和的吸附容量為止。以流體入口作為流體的起點（即零點），實驗中記錄流體的充模時間（）和流體流動的前沿位置（），求出2的值。結合公式（1）、（2），就可計算出滲透率的值。

采用電感耦合等離子體ICP光譜儀測定Ni2+、Crn+、Cu2+的質量濃度，然后計算出重金屬離子的去除率。

2　結果與討論

2.1　不同織物結構對電鍍廢水的滲透率

單向法所測不同織物結構滲透率值如表2所示。從表2可以看出，單軸向碳纖維的織物結構方向單一，紗線的方向和織物的纖維排布方向一致，由此產生的流動阻力小，所以其滲透率最大；雙軸向碳纖維在其纖維排布的機構中一般有兩個區域：第一種區域纖維束內纖維絲之間的孔隙，第二種區域是纖維束與纖維束之間的孔隙。相對于第二種區域來講，第一種區域的滲透率要小得多，流體在流動過程中通過纖維的阻力較大，纖維的浸透較困難，第二種區域內流動阻力小，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孔隙較大的區域，而在縱橫相交處，不同方向的纖維束重疊在一起，產生了較大的流動阻力，形成了纖維增強材料中孔隙最小的區域。也就是說，該區域對流體流動的阻力最大，使流體很難浸透纖維，因此多軸向織物滲透率最小［3-4］。

徑向法所測不同織物結構滲透率值如表3所示。可以看出，單軸向碳纖維織物結構沿著纖維方向的流動阻力小，滲透率大，垂直與纖維方向的流動阻力大，所以其方向上滲透率較小。雙軸向碳纖維無紗線捆綁，兩個方向上都有同樣的增強纖維束，流動阻力相同，因此兩個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，使得織物結構的孔隙率低，其對流體的滲透率較小。同樣的織物結構，用單向法與徑向法所測的滲透率值是有差別的，徑向法所測得的織物的滲透率大一些［5-6］。

表2單向法所測不同織物結構滲透率

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

表3徑向法所測不同織物結構滲透率

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

2.2　不同織物結構對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，不同織物機構的活性碳纖維吸附對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，當時間從5 min增加到30 min時，不同織物結構的活性碳纖維對金屬離子的去除率在遞增。當處理時間達到30 min左右的時候，金屬離子的去處效果達到最佳狀態。當去除時間超過超過30 min后，隨著處理時間的進一步延長，去除率的提升并不明顯，去除效果趨于穩定。這主要是因為在處理過程中，一定時間內去除效果達到飽和臨界點之后，去除率就趨于一個穩定的狀態。因此合理的處理時間為30 min為宜［7-8］。

在30 min時，金屬離子的去除率達到最佳值，同時雙軸向活性碳纖維去除率最大，多軸向碳纖維對金屬離子的去除率最小。雙軸向碳纖維無紗線捆綁，纖維束之間的空隙較大，兩個方向上都有同樣的活性纖維束，流動阻力相同，能在兩個方向同時對重金屬離子進行吸附，且能更有效快速地對金屬離子進行吸附，且兩個方向上滲透率是相同的，使電鍍廢水達到最佳滲透率的同時，并以最好的去除率對重金屬離子進行處理。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，對流體的阻力大，對金屬離子的吸附作用相對來說小，所以去除率低。

圖1　不同織物結構的活性碳纖維對鉻離子的去除

圖2 不同織物結構的活性碳纖維對銅離子的去除

圖3 不同織物結構的活性碳纖維對鎳離子的去除

3　結論

研究表明，不同織物結構的活性碳纖維對電鍍廢水中的金屬離子進行吸附，30 min左右時去除率達到最大值；不同織物結構的活性碳纖維對金屬離子的去除率，雙軸向的活性碳纖維徑向注入滲透率最大，對金屬離子的去除率最高，達到最佳值，能達到較理想的去除效果，金屬離子去除率均達到95.92 %，且達到電鍍廢水排放標準。

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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