活性炭-珍珠岩复合材料处理含铬废水的研究

马万征，吴刘栋，郭芮，邹海明，陶丹丹，谢越，王艳，李粉茹

(安徽科技学院 城建与环境学院，安徽 凤阳 233100)

铬广泛存在于冶炼、电镀、制革等工业废水中，主要以Cr(Ⅵ)化合物存在，Cr(Ⅵ)具有致癌、致突变能力，在低浓度下也具有相当高的毒性，对环境具有很大的危害［1］。因此，去除水体中的铬就显得尤为重要，目前大多数学者均采用吸附法对含铬废水进行处理。赵晖等［2］以改性花生壳为原料，分别研究了用硝酸改性、盐酸改性及未改性花生壳对含Cr6+废水的处理进行研究，从而找出最佳吸附条件。马万征等［3］考察了活性炭加入量、吸附时间、pH值、温度等因素对含Cr(Ⅵ)废水去除率的影响。纪智玲等［4］研究了活性炭和用HNO3改性的活性炭对水中铬离子的吸附行为，实验结果表明，改性活性炭对铬离子吸附效果较好，pH 值为3，吸附时间80 min 是较为经济且除去率最高的条件。

活性炭比表面积大，微孔结构丰富，吸附能力强［5］。膨胀珍珠岩是天然珍珠岩矿石经过破碎筛选、高温煅烧，其体积急剧膨胀，制得多孔、色白的颗粒状物质［6］。

本文用重铬酸钾配制含铬废水，研究活性炭-珍珠岩复合材料投加量、吸附时间、pH、反应温度以及含铬废水的初始浓度等因素对Cr6+去除率的影响，找出含铬废水最佳处理条件。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

丙酮、硫酸、磷酸、乙醇、乙酸、重铬酸钾、二苯碳酰二肼溶液、活性炭、珍珠岩均为分析纯。

SHAC 水浴恒温振荡器;HPM-500 电子调温电热套;HY-6 双层调速多用振荡器;V-1100D 型分光光度计;SX2 系列箱式电阻炉;TE20 pH 计;津制00000297 电子天平。

1.2 含铬废水配制

利用重铬酸钾配制含铬废水。

1.3 活性炭-珍珠岩复合材料的制备

用电子天平称取活性炭600 mg，将质量比为12∶1，10∶1，8∶1，6∶1 的活性炭-珍珠岩混合，浸泡于体积比为1∶1 的乙醇与乙酸的混合溶液中，体积各为15 mL。浸泡12 h 后取出，过滤烘干，以备实验中使用。

1.4 标准曲线绘制

废水中六价铬离子的测定采用二苯碳酰二肼显色剂比色法［7］。以吸光度为纵坐标，六价铬含量为横坐标，绘出标准曲线，线性回归，得铬标准曲线方程:

式中，x 为吸光度，y 为铬离子浓度(μg/mg)。

图1 铬标准曲线Fig.1 Chromium of shape standard curve

铬离子去除率的计算:

式中，C0为初始Cr(VI)浓度，C1为处理后Cr(VI)的浓度。

2 结果与讨论

2.1 吸附剂组成比例对吸附效果的影响

取2 mL 配制好的铬标准使用液，用水稀释至50 mL，此时铬离子浓度为0.04 μg/mL。在常温下，不同比例的活性炭-珍珠岩复合材料对废水中铬离子的去除率，结果见图2。

图2 吸附剂配比对含铬废水的影响Fig.2 Effect of mass ratio of adsorbent on wastewater containing chromium

由图2 可知，当活性炭与珍珠岩的质量比为10∶1 时，废水中铬离子的去除率为最大，活性炭-珍珠岩对废水中铬离子的去除率为60%。

2.2 吸附剂投加量对铬去除率的影响

在9 个具塞比色管中分别加入50 mL 铬标准溶液。称取活性炭分别为100，200，300，400，500，600，700，800，900 mg，珍珠岩为活性炭质量的1/10，充分混合后加入到9 个锥形瓶中，浸泡于乙醇与乙酸1∶1 的混合溶液中，12 h 后取出，过滤烘干，加入到铬标准使用液中，在振荡器上振荡90 min，待充分反应后，静置1 h。取上清液测量其吸光度，计算去除率，结果见图3。

图3 投加量对含铬废水吸附性能的影响Fig.3 Effect of dosing quantity on the adsorption properties of wastewater containing chromium

由图3 可知，活性炭的投加量在100 ～500 mg时，珍珠岩用量为10 ～50 mg，铬离子的去除率呈上升趋势，随着投加量的增加，铬的去除率逐渐变缓，此时，复合材料已经达到吸附饱和状态。因此，投加500 mg 活性炭，50 mg 珍珠岩混合为最佳投放量。

2.3 pH 对铬去除率的影响

调节铬标准使用液的pH 为1，2，3，4，5，6，7，8，9，并定容至50 mL。称取活性炭500 mg，珍珠岩50 mg，分别加入9 个锥形瓶中，浸泡于乙醇与乙酸1∶1 混合溶液中，12 h 后取出，过滤烘干。加入配好的铬［Cr(Ⅵ)］标准使用液，置于振荡器上振荡时间为140 min，静置1 h 后，取上清液测吸光度，计算去除率，见图4。

图4 pH 值对含铬废水吸附性能的影响Fig.4 Effect of pH on the adsorption properties of wastewater containing chromium

由图4 可知，pH 在1 ～4，铬离子去除率呈上升趋势，即随pH 增加而增大;pH 在5 ～9 时，铬离子去除率不断下降。原因是活性炭表面存在大量的含氧基团，如羟基(—OH)，随着pH 值的上升，OH－浓度逐渐增大，由于含氧基团与OH－的亲和力大于对的亲和力，造成复合材料对铬的吸附能力就下降［8］。

2.4 温度对铬去除率的影响

称取活性炭500 mg，珍珠岩50 mg 混合加入锥形瓶中，浸泡于乙醇与乙酸1∶1 的混合溶液中12 h取出，过滤烘干。加入50 mL 的铬标准使用液，放在恒温振荡器上振荡，振荡时间140 min，静置30 min，取上清液测吸光度，根据标准曲线求出平衡后浓度，并计算去除率，结果见图5。

图5 温度对含铬废水吸附性能的影响Fig.5 Effect of temperature on the adsorption properties of wastewater containing chromium

由图5 可知，反应温度在10 ～25 ℃时，铬离子的去除率大体呈缓慢的上升趋势，在25 ～55 ℃时，呈缓慢下降趋势。活性炭吸附铬离子表现为物理吸附性能的特性，利用活性炭表面微孔，使吸附质通过大孔通道扩散到过渡孔和小孔中去，完成它的吸附过程［9］。由图5 可知，25 ℃为最佳吸附温度。

2.5 反应时间对铬去除率的影响

在8 个比色管中分别加入1 mL 铬标准溶液，定容至50 mL。称取复合材料加入锥形瓶中，并将其浸泡于乙醇与乙酸1∶1 的混合溶液中，12 h 后取出，过滤烘干，加入到铬标准使用液中，在振荡器上振荡50 min 后取出第1 组比色管，静置30 min 后测定上清液的吸光度，然后每隔20 min 取出一组比色管，重复第1 组的实验，结果见图6。

图6 处理时间对含铬废水吸附性能的影响Fig.6 Effect of treatment time on the adsorption properties of wastewater containing chromium

由图6 可知，反应时间在130 min 之前时，铬离子去除率呈上升趋势;超过130 min 后，铬的去除率基本稳定，说明在130 min 时已经达到吸附平衡状态。因此，130 min 为最佳反应时间。

2.6 铬离子浓度对铬去除率的影响

称取活性炭500 mg，珍珠岩50 mg 混合加入锥形瓶中，浸泡于乙醇与乙酸1∶1 的混合溶液中，12 h后取出，过滤烘干。加入配制好的铬［Cr(Ⅵ)］标准使用液，分别为0.50，1.00，2.00，3.00，4.00，5.00，8.00，10.00 mL 稀释至50 mL，调节pH 4，置于恒温振荡器上振荡，振荡时间为140 min，取上清液测吸光度，并计算去除率，结果见图7。

图7 铬离子浓度对含铬废水吸附性能的影响Fig.7 Effect of chromium ion concentration on the adsorption properties of wastewater containing chromium

由图7 可知，铬离子浓度在0.01 ～0.1 μg/mL时，铬离子的去除率呈缓慢上升趋势，最高吸附率达71%，当浓度超过0.1 μg/mL 时，吸附效果逐渐降低。所以，当铬离子浓度为0.1 μg/mL 时，活性炭-珍珠岩对于吸附铬离子已达到饱和状态。

3 结论

活性炭-珍珠岩复合材料处理含铬废水的适宜条件是:活性炭投放量为500 mg，珍珠岩为50 mg，吸附时间130 min，pH 为4，反应温度为25 ℃，铬离子约0.1 μg/mL 时，Cr6+最大去除率可达96%。

［1］ 戴树桂，孙红文，邓南圣，等.环境化学［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］ 赵晖，冯丽君，冯梦思，等.改性花生壳对重金属含铬废水的吸附研究［J］. 武汉纺织大学学报，2011，24(6):44-47.

［3］ 马万征，汪志东，邹海明，等.活性炭处理含铬废水的研究［J］.安徽科技学院学报，2013，27(1):90-93.

［4］ 纪智玲，刘杰，艾贺，等.活性炭和改性活性炭对六价铬吸附行为的研究［J］.化学工程师，2013(6):77-79.

［5］ 李子龙，马双枫，王栋，等.活性炭吸附水中金属离子和有机物吸附模式和机理的研究［J］.环境科学与管理，2009，34(10):88-92，178.

［6］ 宋世林，付桂元，余晟.实验室测试珍珠岩膨胀性能研究［J］.非金属矿，2001，24(1):9-10.

［7］ 岳梅，马明海，陈世勇.环境监测实验［M］.合肥:合肥工业出版社，2012:15-22.

［8］ 逯兆庆，寻知磊.活性炭处理含铬废水的方法［J］.电镀与涂饰，2002，21(5):42-44.

［9］ 王爱平. 活性炭对溶液中重金属的吸附研究［D］. 昆明:昆明理工大学，2003.