基于弱相互作用力的共混型吸附劑去除六價鉻離子

羅越峰，施 鵬，陳俊良，喻安平，馮信鑫

（西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500）

0 引言

重金屬離子對水和土壤的污染一直備受關(guān)注。Cr（Ⅵ）作為一種典型的重金屬污染物，被廣泛應(yīng)用于電鍍、木材、紡織和皮革加工[1]。Cr（Ⅵ）一旦進(jìn)入環(huán)境，就會通過食物鏈在人體內(nèi)蓄積影響健康。目前，從水中去除Cr（Ⅵ）已經(jīng)研究了幾十年，并探索了一系列的技術(shù)，如絮凝沉淀、吸附等[2]。

在之前的研究中，報(bào)道了聚乙二醇（PEG）和單寧酸（TA）具有一些特別的性能[3]。在目前的研究中，嘗試使用了PEG 和TA 的混合物去除Cr（Ⅵ），但效果并不理想。考慮到Fe2+在一些報(bào)道中通常用于Cr（Ⅵ）[4]的氧化還原混凝，因此將其加入到本實(shí)驗(yàn)中以提高PEG+TA 的性能。一旦Fe2+與PEG-TA 結(jié)合，它就可以在中性環(huán)境中使用而無需調(diào)整pH 值，從而徹底去除Cr（Ⅵ）。且PEG-TA-Fe2+的劑量在成本方面具有一定的競爭力，制備過程也僅包含物理混合，因此這種方法在工業(yè)應(yīng)用方面具有巨大潛力。

1 試劑與儀器

1.1 試劑

七水硫酸亞鐵 [FeSO4·（H2O）7]、重鉻酸鉀（K2Cr2O7），購于科龍化學(xué)；單寧酸（TA），購買于阿拉丁。

1.2 儀器

微電腦離子濃度測定儀（HI83300），哈納沃德儀器有限公司；掃描電子顯微鏡（JFM-7500），日本捷歐路電子有限公司；X 射線光電子能譜（Escalab 250Xi），賽默飛世爾科技（中國）有限公司；PES 膜，直徑為50 mm，孔直徑為0.1 mm，購買于浙江海寧能達(dá)過濾器廠。

2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取K2Cr2O7并溶解在去離子水中制備出質(zhì)量濃度為100 mg/L 的Cr（Ⅵ）溶液。分別稱取PEG 和TA溶解在去離子水中制備出質(zhì)量濃度為5 000 mg/L PEG和TA 溶液，混合兩者以獲得PEG-TA 分散體。然后在攪拌下將分散體和FeSO4粉末加入K2Cr2O7溶液中。反應(yīng)2 h 后，用分光光度計(jì)測試上層溶液的Cr（Ⅵ）濃度。其過程如圖1 所示。

圖1 去除實(shí)驗(yàn)流程示意圖

Cr（Ⅵ）去除率R 按照式（1）計(jì)算：

式中：ρ0和ρt表示去除試驗(yàn)初期和試驗(yàn)后的Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度，mg/L。

3 結(jié)果與討論

3.1 Fe2+對于實(shí)驗(yàn)的影響

通過將Fe2+、PEG+TA 和PEG+TA+Fe2+三種不同的組分分別加入模擬廢水中，考察其對Cr（Ⅵ）的去除性能，以探究Fe2+的在鉻去除中的作用。單獨(dú)的Fe2+對于Cr（Ⅵ）具有高達(dá)70%以上的去除率，這說明了Cr-Fe 系統(tǒng)的氧化還原可能在Cr（Ⅵ）的去除過程中起到了重要作用。但在中性環(huán)境下，Cr（Ⅵ）不能完全還原，因此單獨(dú)的Fe2+對Cr（Ⅵ）的去除有限，僅在酸性條件下Fe2+可以完全還原Cr（Ⅵ）。因此，PEG+TA 的存在可能是互補(bǔ)的，因?yàn)樗粌H可以螯合Cr（Ⅲ）而且對于Cr（Ⅵ）還有一定的吸附和包埋效果，可以通過隨后的比較實(shí)驗(yàn)來證實(shí)。

3.2 Fe2+劑量對實(shí)驗(yàn)的影響

在PEG+TA 存在下還研究了Fe2+劑量的影響。增加劑量可以顯著提高Cr（Ⅵ）的去除率。當(dāng)Fe2+用量在150 mg/L 以下時，對于Cr（Ⅵ）的去除率的提升基本呈現(xiàn)線關(guān)系，說明了Fe2+在少量時提升加入的量對于實(shí)驗(yàn)的影響是巨大的；Fe2+加入量從150～250 mg/L時，增加Fe2+的用量對于去除率的提升效果逐漸減弱，考慮到國家標(biāo)準(zhǔn)中對于Cr（Ⅵ）的高標(biāo)準(zhǔn)排放要求（＜0.5 mg/L），因此最終選擇Fe2+用量為250 mg/L。

3.3 zeta 電位

在實(shí)驗(yàn)中觀察到，不同的絮體分離方式也會導(dǎo)致結(jié)果有所變化。通過孔徑0.1 mm 的PES 膜過濾分離沉淀物時，一部分Cr（Ⅵ）會從沉淀物中重新分散到水中，使得去除率降低到95%左右。使用PES 膜過濾后的濾液呈現(xiàn)微黃色，而通過離心后的水則完全無色。這表明，一部分鉻以弱相互作用力與藥劑結(jié)合。

為探究以上現(xiàn)象，對于PEG+TA、EG+TA+Fe2+、PEG+TA+Fe2++Cr（Ⅵ）三組分別測量了它們的zeta 電位。PEG+TA這組帶有較強(qiáng)的負(fù)電荷，對于Fe2+、Cr（Ⅵ）帶有正電荷的離子具有一定的吸引作用，對吸附起到了積極的影響。PEG+TA+Fe2+這組依然帶有較弱的負(fù)電荷，可能在吸附時依然具有正面影響，并且通過Fe-Cr之間的聯(lián)系，強(qiáng)化了被吸附的Cr（Ⅵ）的穩(wěn)定性。

3.4 沉淀物的SEM

從圖2-1 可以觀察到Cr（Ⅵ）與Fe2+一起形成了不混溶的顆粒物質(zhì)。推測其主要可能是Cr（Ⅲ）-Fe（Ⅲ）-OH 物質(zhì)。微球狀沉淀物與現(xiàn)有的其他絮凝沉淀方向的文獻(xiàn)有所不同，目前大多數(shù)使用的凝結(jié)劑的微觀結(jié)構(gòu)都是大塊且無序的，這表明了在Cr（Ⅵ）被去除過程中，試劑在膠體之間沒有發(fā)生橋接。

圖2 沉積物的SEM 圖像

4 結(jié)論

在本研究中，提出了一種新的Cr（Ⅵ）去除方法，即通過聚乙二醇、單寧酸和Fe2+的組合進(jìn)行混凝。所得混凝劑可在2 h 內(nèi)將Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度從100 mg/L降至0.1 mg/L 以下甚至低于檢測限值。其制備只涉及簡單的物理混合，可在中性環(huán)境中進(jìn)行，無需調(diào)節(jié)pH。該結(jié)果可為高效去除Cr（Ⅵ）提供一種新的混凝沉淀方法。