武家玉

(太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西太原，030008)

1 前言

由于鉻及其化合物在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，含鉻廢水被大量排放[1]。Cr(VI)毒性非常強(qiáng)[2]，其毒性嚴(yán)重影響到人體內(nèi)物質(zhì)氧化，危害人類的生命健康。生活污水不斷增加，污水處理廠將廢水處理后，都會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥，污泥填埋可能會(huì)使污泥中的水分會(huì)滲漏到地下水，而污泥焚燒則會(huì)產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)[3]。污泥的綜合利用成為解決這一問題的關(guān)鍵，將其制備為活性炭便是方法之一[4]。然而污泥中含有大量的有機(jī)物，吸附能力會(huì)受到限制，需要對(duì)其進(jìn)行改性處理，實(shí)現(xiàn)廢物的有效利用[5-7]。因此，本文以脫水污泥為原料，使用氯化鋅化學(xué)活化法制備污泥活性炭，再用硝酸對(duì)污泥活性炭進(jìn)行改性處理，研究了改性污泥活性炭的制備方法及去除廢水中Cr(VI)的最佳條件。

2 材料與方法

2.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用污泥為污水凈化廠脫水污泥。所用試劑氯化鋅(天津市北辰方正試劑廠)、硝酸(天津市振興化工試劑酸廠)、重鉻酸鉀(西安化學(xué)試劑廠)、丙酮(天津市申泰化學(xué)試劑有限公司)和二苯碳酰二肼(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)等均為分析純。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 污泥活性炭的制備

將脫水污泥在105 ℃下烘干12 h，磨成粉末狀，過(guò)60目篩后放在藥品袋中置干燥處備用。取一定量上述處理好的干燥污泥粉末，加入3.0 mol/L的ZnCl2，在水浴鍋(85℃)中浸泡3 h，過(guò)濾，馬弗爐中進(jìn)行活化，活化溫度為500 ℃，活化時(shí)間90 min。活化后，使用鹽酸進(jìn)行多次沖洗，再用去離子水多次沖洗，直到中性，105℃烘干，過(guò)篩備用。

2.2.2 改性污泥活性炭的制備

取一定量污泥活性炭置于5.0 mol/L的硝酸溶液中，煮沸90 min，冷卻后，用去離子水沖洗至中性，過(guò)濾，105℃烘干后進(jìn)行研磨，過(guò)80目篩備用。

2.2.3 吸附實(shí)驗(yàn)

稱取一定量制得的改性污泥活性炭置于250 mL錐形瓶中，加入Cr(VI)溶液。在一定溫度的氣浴恒溫振蕩器中振蕩一段時(shí)間，靜置，取上清液，使用二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定溶液中Cr(VI)濃度，再由下式求出其去除率：

(1)

式(1)中：E：去除率(%)；C0：吸附前溶液中Cr(VI)的濃度(mg/L)；Ce：吸附后溶液中Cr(VI)的濃度(mg/L)。

3 結(jié)果與討論

3.1 最佳改性污泥投加量的確定

改性污泥投加量對(duì)吸附Cr(VI)的影響如圖1所示。由圖1可知，Cr(VI)濃度隨著改性污泥投加量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。這是由于隨著吸附劑的投加量增加，吸附位點(diǎn)增加，溶液中大量的Cr(VI)離子會(huì)被改性污泥吸附，使得去除率在增大。當(dāng)改性污泥投加量為0.4 g時(shí)，去除率達(dá)到最高值98.3%，然而投加量繼續(xù)增大，Cr(VI)離子在吸附表面的擴(kuò)散速度會(huì)變慢，吸附表面單位面積的去除率會(huì)降低。因此，改性污泥活性炭吸附劑的最佳投加量應(yīng)為0.4g。

圖1 改性污泥投加量與Cr(VI)去除率的關(guān)系圖

3.2 最佳Cr(VI)溶液初始濃度的確定

Cr(VI)溶液初始濃度對(duì)Cr(VI)去除率的影響如圖2所示。Cr(VI)溶液初始濃度較低時(shí)，去除率曲線呈現(xiàn)上升階段，當(dāng)Cr(VI)溶液初始濃度為5.0 mg/L時(shí)，去除率達(dá)到98%，這是因?yàn)闈舛容^低時(shí)，改性污泥活性炭吸附位點(diǎn)較多，吸附容易進(jìn)行。而隨著Cr(VI)溶液濃度的增大，吸附表面吸附位點(diǎn)會(huì)逐漸減少，同時(shí)溶液也會(huì)很快達(dá)到飽和狀態(tài)[8]，去除率下降。因此Cr(VI)的初始濃度為5.0mg/L時(shí)，為最佳吸附濃度。

圖2 Cr(VI)溶液初始濃度與Cr(VI)去除率的關(guān)系圖

3.3 最佳吸附時(shí)間的確定

吸附時(shí)間對(duì)Cr(VI)去除率的影響如圖3所示。開始吸附時(shí)，曲線幅度變化比較大，60 min后，曲線逐漸趨于平緩。在剛開始吸附時(shí)，Cr(VI)還未被吸附，此時(shí)Cr(VI)濃度比較大，與改性污泥濃度相比，兩者濃度相差較大，而吸附劑表面就會(huì)有很多的吸附位點(diǎn)會(huì)通過(guò)靜電引力去吸附Cr(VI)，去除率也就會(huì)大幅度變化。吸附反應(yīng)進(jìn)行60 min時(shí)，去除率為97.3%，吸附時(shí)間繼續(xù)增加，改性污泥表面的吸附位點(diǎn)會(huì)在不斷減少，吸附驅(qū)動(dòng)力減弱，就會(huì)導(dǎo)致吸附率下降，因此最佳吸附時(shí)間為60 min。

圖3 吸附時(shí)間與Cr(VI)去除率的關(guān)系圖

3.4 最佳反應(yīng)溫度的確定

反應(yīng)溫度對(duì)Cr(VI)去除率的影響如圖4所示。由圖4可知，溫度在25-30℃之間，去除率在逐漸地上升，去除率為95.6%，基本處于穩(wěn)定階段。溫度增加，去除率下降，因?yàn)樵摲磻?yīng)為放熱反應(yīng)，溫度增加阻礙吸附的進(jìn)行。整體而言，反應(yīng)溫度的變化對(duì)于去除率的影響不大，因此，反應(yīng)的最佳溫度為室溫即可。

圖4 反應(yīng)溫度與Cr(VI)去除率的關(guān)系圖

3.5 最佳pH值的確定

pH值對(duì)Cr(VI)去除率的影響如圖5所示。由圖5可知，改性污泥活性炭對(duì)Cr(VI)的吸附受pH值變化影響明顯。在溶液由酸性逐漸向堿性轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，去除率也隨之在降低，當(dāng)溶液呈現(xiàn)酸性時(shí)，Cr(VI)離子會(huì)被分解成HCrO4-、CrO4-、Cr2O72-[9]，以這三種不同的離子存在于溶液中，而溶液中的HCrO4-很容易與改性污泥吸附劑發(fā)生吸附反應(yīng)，隨著pH值的增大，HCrO4-離子在溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]，其質(zhì)量在不斷地減少，這時(shí)溶液中只剩下了CrO4-、Cr2O72-兩種離子，在堿性溶液中OH-的含量比H+要多，而OH-與CrO4-會(huì)同時(shí)吸附活性炭，使改性污泥表面呈負(fù)電，從而導(dǎo)致去除率降低。因此，pH值的最佳值為4.0。

圖5 pH值與Cr(VI)去除率的關(guān)系圖

4 結(jié)論

(1)氯化鋅活化、硝酸改性的脫水污泥對(duì)廢水中Cr(VI)具有很好的吸附能力。

(2)最佳吸附條件為：Cr(VI)濃度為5.0 mg/L、吸附劑量為0.4 g、吸附反應(yīng)時(shí)間為60 min、反應(yīng)溫度為室溫和pH值為4，去除率可達(dá)97%以上。