金政華，張先斌

(1 九江市城市規(guī)劃市政設(shè)計院，江西　九江　332000；2 云南華博工程設(shè)計有限公司，云南　昆明　650200)

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高錳酸鉀改性活性炭去除水中Cr(VI)的試驗研究

金政華1，張先斌2

(1 九江市城市規(guī)劃市政設(shè)計院，江西九江332000；2 云南華博工程設(shè)計有限公司，云南昆明650200)

采用高錳酸鉀對顆?；钚蕴窟M(jìn)行改性。在靜態(tài)條件下，對改性活性炭處理Cr(VI)廢水進(jìn)行了研究，考察了pH、溫度等因素的影響。結(jié)果表明，改性后的活性炭對Cr(VI)的吸附量有明顯的提高，提高率為79.91%。酸性環(huán)境利于Cr(VI)的吸附，且pH應(yīng)控制在6左右；低溫對吸附有利；吸附能較好的滿足Langmuir等溫線和準(zhǔn)二級動力學(xué)曲線，最佳擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.9943和0.9983。

改性活性炭；Cr(VI)；廢水；吸附

水中的鉻主要來自機(jī)械制造、冶金、電鍍、制革、印染等行業(yè)，其他排放鉻的途徑包括造船、航空、玻璃、陶瓷、造紙、火柴、肥料、化工、油漆顏料、橡膠制品、燃油燃煤、化學(xué)制藥、照相材料等工業(yè)生產(chǎn)和冷卻過程[1]。鉻有三價(Cr3+)和六價(Cr6+)之分。不同價態(tài)的鉻的毒性不同，其中六價鉻毒性最強(qiáng)，比三價鉻毒性大100倍[2]。鉻的威脅在于它不能被微生物分解，通過食物鏈在生物體內(nèi)富集[3]。六價鉻在動物體內(nèi)的蓄積，有明顯的致癌、致畸、致突變作用，已被確認(rèn)為致癌物。 目前主要含鉻廢水處理工藝從原理上可分為兩類[4-5]：一是改變鉻的存在形態(tài)，使其轉(zhuǎn)為不溶解或難溶解的化合物，再行去除，如化學(xué)法、電解法、電化學(xué)還原法等；二是不改變鉻存在形態(tài)，直接將其從廢水中除去，如膜分離法、離子交換法、吸附法等。其中，吸附法因操作簡單、投資省、處理效果好而頗受重視。

活性炭是一種優(yōu)良的吸附劑，在處理工業(yè)廢氣和廢液中，均被應(yīng)用。本文采用高錳酸鉀改性活性炭處理Cr(VI)廢水，取得了較好的效果。

1　實(shí)　驗

1.1儀器，試劑及Cr(VI)的測定方法

儀器：PHS-3CW型酸度計；電子天平；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；水浴恒溫振蕩器；UV-3系列紫外分光光光度計等。

材料和試劑：市售顆?；钚蕴浚咤i酸鉀，鹽酸，氫氧化鈉，重鉻酸鉀等，所有化學(xué)試劑均為分析純；試驗中用蒸餾水和重鉻酸鉀試劑配置模擬廢水。

Cr(VI)的測定方法[6]：采用紫外分光光度計在pH為8，波長為372 nm的條件下進(jìn)行檢測，確定Cr(VI)的含量。

1.2改性活性炭的制備

準(zhǔn)確稱取一定量的預(yù)處理過的顆?；钚蕴糠湃胧⒂形镔|(zhì)的量濃度分別為 0.005,0.01,0.015,0.02,0.03,0.04,0.05 mol/L的高錳酸鉀溶液的錐形瓶中震蕩反應(yīng)，分析結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，濃度對改性活性炭的吸附效果影響比較明顯。可以看出，當(dāng)高錳酸鉀濃度在0～0.01 mol/L的范圍內(nèi)變化時，活性炭的吸附能力和濃度是呈正相關(guān)關(guān)系變化的，但當(dāng)濃度大于0.01 mol/L時，活性炭的吸附效果在逐漸的降低；在0.01～0.02 mol/L范圍內(nèi)，吸附效果變化甚微，但當(dāng)高錳酸鉀濃度大于0.02 mol/L時，活性炭的吸附效果下降的愈發(fā)明顯，這可能是因為隨著高錳酸鉀濃度的增加，溶液的氧化性增強(qiáng)，強(qiáng)氧化性會破壞活性炭表面的孔隙結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其吸附性能的下降。故高錳酸鉀改性最佳濃度為0.01 mol/L，且此時的吸附量達(dá)到了0.396 mg/g。

圖1　不同濃度的高錳酸鉀改性活性炭對吸附Cr(VI)效果的影響

1.3試驗及分析方法

分別將適量的活性炭與質(zhì)量濃度為1 mg/L的Cr(VI)溶液在室溫環(huán)境下，于水浴恒溫振蕩器上反應(yīng)2 h，溶液靜置1 h后取濾液，檢測溶液中Cr(VI)的含量，按下式計算吸附量Q：

式中：Q——吸附容量，mg/g

C0，C——Cr(VI)溶液的初始質(zhì)量濃度和處理后的質(zhì)量濃度，mg/L

V——溶液的體積，L

m——活性炭的質(zhì)量，g

2　結(jié)果與討論

2.1改性前后吸附性能的比較

圖2　活性炭改性前后對Cr(VI)吸附性能的比較

從圖2看出，改性后的活性炭對Cr(VI)的吸附量有較大的提高，吸附容量最高達(dá)到了0.385 mg/g,而原始活性炭對Cr(VI)的吸附量最大值只有0.214 mg/g，可以看出，改性后的吸附效果提高了79.91%。

2.2pH影響

稱取改性活性炭各0.2 g，分別加入到6個編號的錐形瓶中，然后分別注入1 mg/L Cr(VI)溶液100 mL，震蕩反應(yīng)，考察pH對Cr(VI)的去除的影響，如圖3所示。

圖3　pH對改性活性炭吸附Cr(VI)效果的影響

由圖3可知，pH對吸附效果影響較大，在酸性范圍內(nèi),改性活性炭的吸附量逐漸提高，并在pH=6時，吸附量最大，達(dá)到0.413 mg/g。但隨著溶液堿性增強(qiáng)，吸附量在逐漸減小，觀察pH=7.0～8.0和pH=8.0～9.0間的吸附量變化情況，可以看出，后者的下降幅度明顯大于前者，可見，pH值越大對吸附越不利。

對上述試驗結(jié)果，結(jié)合相關(guān)理論從以下幾個方面進(jìn)行了原因分析：

(1) 從活性炭表面的物化性質(zhì)進(jìn)行分析，在酸性環(huán)境下，其表面官能團(tuán)的質(zhì)子化作用要強(qiáng)于堿性環(huán)境。質(zhì)子化作用使得吸附劑對水中陰離子形式存在的Cr(VI)吸附作用更強(qiáng)，隨著溶液堿性的增強(qiáng)，吸附劑的表面的正電性逐漸向負(fù)電性轉(zhuǎn)變，使其對溶液中以帶負(fù)電酸根離子形式的Cr(VI)的靜電吸附作用減弱。

(3)從溶液中鉻的化學(xué)價態(tài)情況進(jìn)行分析，鉻在水溶液中存在的價態(tài)主要有六價Cr(VI)和三價Cr(Ⅲ),被吸附的Cr(VI)在一定的條件下可轉(zhuǎn)化為Cr(Ⅲ)。在強(qiáng)酸性環(huán)境下Cr(VI)可被還原成Cr(Ⅲ)，從這個角度分析能看出，活性炭對Cr(VI)的吸附部分是依賴在酸性環(huán)境中將其還原成毒性相對較低的Cr(Ⅲ)而去除的。

因此，酸性環(huán)境對反應(yīng)有利。

2.3溫度影響

圖4　溫度對改性活性炭對吸附Cr(VI)的效率的影響

稱取不同質(zhì)量的改性活性炭加入編號的錐形瓶中，然后分別注入100 mL 1 mg/L Cr(VI)溶液,調(diào)節(jié)溶液的溫度分別為15，25，40 ℃，震蕩反應(yīng)?？疾烊芤旱臏囟葘r(VI)去除效率的影響，結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)計算得，不同溫度條件下的平衡吸附量分別是：15 ℃時，Q=0.50 mg/g；25 ℃，Q=0.416 mg/g；40 ℃時，Q=0.302 mg/g?？梢?，溫度對吸附效果的影響比較明顯，隨著溫度高，吸附容量在減小，相反，溫度越低的環(huán)境對吸附作用越有利，可以判定活性炭對Cr(VI)的吸附是放熱反應(yīng)。另外，還可以確定，對Cr(VI)的吸附不僅是靜電吸附，應(yīng)還存在非靜電吸附。

2.4吸附等溫線

圖5　Langmuir方程擬合不同溫度條件下的吸附等溫線

從擬合的曲線及相關(guān)參數(shù)看，Langmuir擬合的效果較好，且在溫度為25 ℃，其擬合直線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9943。

2.5吸附動力學(xué)曲線

圖6　高錳酸鉀改性活性炭吸附Cr(VI)的動力學(xué)準(zhǔn)二級方程模擬

取一定量的改性活性炭放入錐形瓶中，加入100 mL的Cr(VI)溶液，在不同溫度條件下進(jìn)行震蕩反應(yīng)，按一定時間間隔從反應(yīng)器內(nèi)抽取濾液。分析過程中參考了已有對活性炭吸附重金屬離子動力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，選用Lagergren二級吸附速率方程進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖6所示。

在溫度為15 ℃時，擬合效果最為理想，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9983，平衡吸附量為0.501 mg/g。

3　結(jié)　論

(1)相比于原始活性炭，高錳酸鉀改性后的活性炭對Cr(VI)的吸附量有明顯的提高，且高錳酸鉀改性活性炭的最佳濃度為0.01 mol/L；

(2) pH對吸附效果影響較大，在酸性范圍內(nèi)(pH=2.0～6.0),改性活性炭對Cr(VI)的吸附容量呈上升趨勢，并在 pH=6時，吸附容量達(dá)到最大，其值為0.413 mg/g。但隨著溶液堿性增強(qiáng)，活性炭的吸附容量在逐漸的降低，可以說明pH值越大對吸附作用越不利；

(3)高錳酸鉀改性活性炭對Cr(VI)的吸附能較好的滿足Langmuir等溫式和Lagergren二級吸附速率方程，其最佳擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.9943和0.9983。

[1]賈金平，謝少艾，陳虹錦．電鍍廢水處理技術(shù)及工程實(shí)例[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003(1):192.

[2]朱建華，王莉莉.不同價態(tài)鉻毒性及其對人體的影響[J].環(huán)境與開發(fā)，1997，12(3)：46-48.

[3]江瀾，王小蘭．鉻的生物作用及污染治理．重慶工商大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，21(4)：325-328.

[4]孟祥和,胡國飛.重金屬廢水處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000:5-12.

[5]陳佛順.有色冶金環(huán)境保護(hù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1984:11.

[6]蔣世偉,苗向陽,王天貴.紫外分光光度法測定六價鉻的研究[J].天津化工，2007, 21(3):51-52.

Study on Removal of Cr(VI) in Wastewater by Modified Activated Carbon with KMnO4

JINZheng-hua1，ZHANGXian-bin2

(1 Jiujiang Urban Institute of Planning & Engineering Design，Jiangxi Jiujiang 332000；2 Yunnan Huabo Engineering Design Co., Ltd.，Yunnan Kunming 650200, China)

The granular activated carbon was modified with KMnO4. The treatment of Cr(VI)-containing wastewater with modified activated carbon was studied under the static state. The effects of pH, the temperature of solution were investigated. The results showd that the modified activated carbon had an obvious improvement on the adsorption of Cr(VI), and the increased rate was 79.91%. The acidic environment was conductive to the adsorption of Cr(VI), and pH value should be controlled at about 6, and the low temperature was conductive to the adsorption too. The experimental results showed that the adsorption of modified activated carbon accorded with Langmuir and kinetics of pseudo-order model, the correlation coefficients were equal to 0.9943 and 0.9983.

modified activated carbon; Cr(VI); wastewater; adsorption

TQ424

A

1001-9677(2016)05-0116-03