硝酸鐵改性活性炭吸附廢水中六價(jià)鉻技術(shù)
鉻及其化合物作為重要的化工原料廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，鉻化合物的消費(fèi)量逐年增加，鉻及其化合物在生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生大量含鉻廢水。含鉻廢水主要來(lái)源于電鍍、化工、冶金等多個(gè)行業(yè)，尤其電鍍行業(yè)產(chǎn)生的含鉻廢水最多。含鉻廢水的危害與廢水中鉻的價(jià)態(tài)有關(guān)，廢水中主要有Cr3+和Cr6+兩種價(jià)態(tài)，Cr6+與Cr3+具有更強(qiáng)的致癌和致突變能力；同時(shí)，Cr6+具有很強(qiáng)的氧化能力和遷移能力，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，越來(lái)越多的科研工作者在廢水處理技術(shù)開(kāi)發(fā)方面做了大量的工作?；钚蕴坑捎谄浔砻娲嬖诖罅康暮徐o電吸附功能的官能團(tuán)，可以對(duì)廢水中Cr6+進(jìn)行吸附，且活性炭具有吸附效率高、吸附性能穩(wěn)定、操作費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于含鉻廢水的處理。本試驗(yàn)采用硝酸鐵改性活性炭(Fe-GAC)吸附廢水中Cr6+，并與未改性的顆?；钚蕴?/span>(GAC)做對(duì)比，考察吸附時(shí)間、溶液的pH值、溫度對(duì)Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影響，擬尋找一種有效處理廢水中Cr6+的吸附劑。
1、試驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)儀器與原料
1.1.1 試驗(yàn)儀器。
恒溫振蕩器(THZ-312)；分光光度計(jì)(752型)；電干燥箱(DHG-9030)。
1.1.2 試驗(yàn)原料。
顆粒活性炭(GAC)、硝酸鐵、重鉻酸鉀、H2SO4、NaOH、HCI等。
1.1.3 制備硝酸鐵改性活性炭。
將10g活性炭加入100mL濃度為0.2mol/L的Fe(NO3)3溶液中，混勻后放置在90℃恒溫水浴中振蕩5h。之后取出活性炭用蒸餾水反復(fù)沖洗，然后將沖洗后的活性炭放入干燥箱，于110℃下烘干至恒重，最后再放入電爐，于150C烘焙5h，即得到硝酸鐵改性活性炭(Fe-GAC)。
1.1.4 模擬含鉻廢水的配制。
將固體重鉻酸鉀置于110℃干燥箱中干燥2h，配成質(zhì)量濃度為50mg/L的溶液。同時(shí)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的H2SO4溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液用于處理活性炭和調(diào)節(jié)含鉻廢水的pH值。
1.2 試驗(yàn)方法
稱取1g吸附材料，加入盛有25mL質(zhì)量濃度為50mg/L的K2Cr2O7溶液的錐形瓶中。在指定溫度下攪拌規(guī)定時(shí)間，立即抽濾，將濾液移入50mL容量瓶中，加2.5mL二苯氨基脲指示劑，靜置10min后，用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)540nm處測(cè)其吸光值，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)曲線確定其濃度，根據(jù)濃度的變化計(jì)算吸附率。
2、結(jié)果與討論
2.1 吸附時(shí)間對(duì)吸附率的影響
試驗(yàn)初始條件：改性前后活性炭各1g，Cr6+初始質(zhì)量濃度為50mg/L，pH值為4，溫度為45℃。吸附時(shí)間與吸附率的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，隨著吸附時(shí)間的增加，Fe-GAC和GAC對(duì)Cr6+的吸附率均增加。當(dāng)吸附時(shí)間從0.5h增加到1.5h時(shí)，Fe-GAC對(duì)Cr6+的吸附率從7.3%增加到35.8%，增加了28.5%；GAC對(duì)Cr6+的吸附率從5.5%增加到30.5%，增加了25%。當(dāng)吸附時(shí)間從2h增加到4h時(shí)，Fe-GAC對(duì)Cr6+的吸附率從38.8%增加到45.2%，增加了6.4%；GAC對(duì)Cr6+的吸附率從34.4%增加到38.5%，增加了4.1%。由以上數(shù)據(jù)可知，Fe-GAC和GAC對(duì)Cr6+的吸附率在1.5h前增加顯著，吸附時(shí)間增加1h，吸附率分別增加了28.5%、25%；當(dāng)吸附時(shí)間大于2h時(shí)，Fe-GAC和GAC對(duì)Cr6+的吸附率均增加緩慢，吸附時(shí)間增加2h，Fe-GAC的吸附率僅增加6.4%，GAC的吸附率僅增加4.1%。造成這種現(xiàn)象的主要原因是吸附前期，Fe-GAC和GAC表面活性位點(diǎn)較多，可在短時(shí)間內(nèi)吸附較多的Cr6+。隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，活性點(diǎn)位越來(lái)越少，造成吸附速率降低，吸附率增加緩慢。由圖1可知，在整個(gè)階段，Fe-GAC的吸附率一直比GAC的吸附率高。原因主要是改性后的活性炭表面含氧官能團(tuán)數(shù)量比未改性活性炭的多，提高了其吸附能力；同時(shí)改性后活性炭表面的吸附活性位點(diǎn)增加，以上原因?qū)е?/span>Fe-GAC的吸附率比GAC的吸附率高。
2.2 pH值對(duì)吸附率的影響
試驗(yàn)初始條件：改性前后活性炭各1g，Cr6+的初始濃度為50mg/L，吸附時(shí)間為2h，溫度為45℃，采用氫氧化鈉和稀硫酸調(diào)整pH值。pH值與吸附率的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)pH值為2~6時(shí)，隨著pH值的升高，Fe-GAC和GAC對(duì)Cr6+的吸附率均顯著降低。Fe-GAC對(duì)Cr6+的吸附率從92.9%降至32.9%，降低了60%；GAC對(duì)Cr6+的吸附率從88.2%降至20.2%，降低了68%。當(dāng)pH值為7~9時(shí)，隨著pH值的升高，Fe-GAC和GAC對(duì)Cr6+的吸附率變化不明顯，Fe-GAC對(duì)Cr6+的吸附率從20.5%降至16.2%，降低了4.3%；GAC對(duì)Cr6+的吸附率從10.8%降至9.8%，降低了1%。由以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)pH<4時(shí)，Fe-GAC和GAC均有較好的吸附性能，pH值越小，吸附效果越好。說(shuō)明在偏酸性條件下，Fe-GAC和GAC的吸附能力都很好。這主要與Cr6+的存在形式有關(guān)，在偏酸性條件下，Cr6+主要以HCrO4-，形式存在，HCrO4-，帶負(fù)電，pH值越小，活性炭表面H+濃度越高，使其與HCrO4-，的靜電引力越大，吸附效果較好。
2.3 溫度對(duì)吸附率的影響
試驗(yàn)初始條件：改性前后活性炭各1g，Cr6+的初始質(zhì)量濃度為50mg/L，吸附時(shí)間2h，pH值為4。
溫度與吸附率的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，隨著溫度的升高，Fe-GAC和GAC對(duì)Cr6+的吸附率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)溫度從25℃升高到45℃時(shí)，Fe-GAC的吸附率從35.8%上升到60.3%，增加了24.5%；GAC的吸附率從32.5%上升到54.8%，增加了22.3%，Fe-GAC和GAC的吸附率均明顯增加。當(dāng)溫度從45℃升高到60C時(shí)，Fe-GAC的吸附率從60.3%上升到62.1%，增加了1.8%；GAC的吸附率從54.8%上升到57.1%，增加了2.3%，Fe-GAC和GAC的吸附率增加緩慢。根據(jù)吸附熱力學(xué)原理，物理吸附是一個(gè)放熱過(guò)程，升高溫度會(huì)使吸附水平降低，而由基團(tuán)靜電吸引而引發(fā)的化學(xué)吸附是吸熱過(guò)程，升高溫度有利于化學(xué)吸附的進(jìn)行。由圖3可以看出，隨著溫度的升高，Fe-GAC和GAC對(duì)Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明顯加快。Fe-GAC和GAC對(duì)C6+的吸附過(guò)程同時(shí)滿足物理吸附和化學(xué)吸附，其中化學(xué)吸附占主導(dǎo)地位。故升高溫度有利于提升活性炭對(duì)Cr6+的吸附性能。
3、結(jié)論
采用硝酸鐵改性活性炭(Fe-GAC)吸附廢水中Cr6+，并與未改性的顆粒活性炭(GAC)做對(duì)比，考察吸附時(shí)間、溶液的pH值、溫度對(duì)Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影響，得到以下4個(gè)結(jié)論。
①隨著吸附時(shí)間的增加，Fe-GAC和GAC對(duì)Cr6+的吸附率均增加。在1.5h前，Fe-GAC和GAC對(duì)Cr6+的吸附率增加顯著，之后吸附率增加較慢，趨于平穩(wěn)。
②隨著pH值的增加，Fe-GAC和GAC對(duì)Cr6+的吸附率均降低。當(dāng)pH<4時(shí)，兩者的吸附效果都較好，pH值越小，吸附效果越好。
③隨著溫度的升高，Fe-GAC和GAC對(duì)Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明顯加快。
④采用硝酸鐵對(duì)活性炭進(jìn)行表面化學(xué)修飾，使改性后活性炭吸附Cr6+的能力提升，提高了對(duì)水中Cr6+的去除率，可作為吸附劑用于實(shí)際工業(yè)含鉻廢水的處理。（來(lái)源：河南省科龍環(huán)境工程有限公司）