硝酸鐵改性活性炭吸附廢水中六價鉻技術
鉻及其化合物作為重要的化工原料廣泛應用于工業(yè)生產。隨著社會經濟的迅速發(fā)展，鉻化合物的消費量逐年增加，鉻及其化合物在生產過程中不可避免地產生大量含鉻廢水。含鉻廢水主要來源于電鍍、化工、冶金等多個行業(yè)，尤其電鍍行業(yè)產生的含鉻廢水最多。含鉻廢水的危害與廢水中鉻的價態(tài)有關，廢水中主要有Cr3+和Cr6+兩種價態(tài)，Cr6+與Cr3+具有更強的致癌和致突變能力；同時，Cr6+具有很強的氧化能力和遷移能力，會對生態(tài)環(huán)境和人類健康構成嚴重威脅。隨著環(huán)境問題日益嚴峻，越來越多的科研工作者在廢水處理技術開發(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，可以對廢水中Cr6+進行吸附，且活性炭具有吸附效率高、吸附性能穩(wěn)定、操作費用低等優(yōu)點，被廣泛應用于含鉻廢水的處理。本試驗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)做對比，考察吸附時間、溶液的pH值、溫度對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、試驗部分
1.1 試驗儀器與原料
1.1.1 試驗儀器。
恒溫振蕩器(THZ-312)；分光光度計(752型)；電干燥箱(DHG-9030)。
1.1.2 試驗原料。
顆?；钚蕴?/span>(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，配成質量濃度為50mg/L的溶液。同時配制質量分數(shù)為5%的H2SO4溶液和質量分數(shù)為10%的NaOH溶液用于處理活性炭和調節(jié)含鉻廢水的pH值。
1.2 試驗方法
稱取1g吸附材料，加入盛有25mL質量濃度為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，用分光光度計在波長540nm處測其吸光值，對比標準曲線確定其濃度，根據(jù)濃度的變化計算吸附率。
2、結果與討論
2.1 吸附時間對吸附率的影響
試驗初始條件：改性前后活性炭各1g，Cr6+初始質量濃度為50mg/L，pH值為4，溫度為45℃。吸附時間與吸附率的關系如圖1所示。由圖1可知，隨著吸附時間的增加，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均增加。當吸附時間從0.5h增加到1.5h時，Fe-GAC對Cr6+的吸附率從7.3%增加到35.8%，增加了28.5%；GAC對Cr6+的吸附率從5.5%增加到30.5%，增加了25%。當吸附時間從2h增加到4h時，Fe-GAC對Cr6+的吸附率從38.8%增加到45.2%，增加了6.4%；GAC對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Cr6+的吸附率在1.5h前增加顯著，吸附時間增加1h，吸附率分別增加了28.5%、25%；當吸附時間大于2h時，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均增加緩慢，吸附時間增加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表面活性位點較多，可在短時間內吸附較多的Cr6+。隨著吸附時間的延長，活性點位越來越少，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數(shù)量比未改性活性炭的多，提高了其吸附能力；同時改性后活性炭表面的吸附活性位點增加，以上原因導致Fe-GAC的吸附率比GAC的吸附率高。
2.2 pH值對吸附率的影響
試驗初始條件：改性前后活性炭各1g，Cr6+的初始濃度為50mg/L，吸附時間為2h，溫度為45℃，采用氫氧化鈉和稀硫酸調整pH值。pH值與吸附率的關系如圖2所示。由圖2可知，當pH值為2~6時，隨著pH值的升高，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均顯著降低。Fe-GAC對Cr6+的吸附率從92.9%降至32.9%，降低了60%；GAC對Cr6+的吸附率從88.2%降至20.2%，降低了68%。當pH值為7~9時，隨著pH值的升高，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率變化不明顯，Fe-GAC對Cr6+的吸附率從20.5%降至16.2%，降低了4.3%；GAC對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pH<4時，Fe-GAC和GAC均有較好的吸附性能，pH值越小，吸附效果越好。說明在偏酸性條件下，Fe-GAC和GAC的吸附能力都很好。這主要與Cr6+的存在形式有關，在偏酸性條件下，Cr6+主要以HCrO4-，形式存在，HCrO4-，帶負電，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 溫度對吸附率的影響
試驗初始條件：改性前后活性炭各1g，Cr6+的初始質量濃度為50mg/L，吸附時間2h，pH值為4。
溫度與吸附率的關系如圖3所示。由圖3可知，隨著溫度的升高，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均呈現(xiàn)上升趨勢。當溫度從25℃升高到45℃時，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。當溫度從45℃升高到60C時，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)吸附熱力學原理，物理吸附是一個放熱過程，升高溫度會使吸附水平降低，而由基團靜電吸引而引發(fā)的化學吸附是吸熱過程，升高溫度有利于化學吸附的進行。由圖3可以看出，隨著溫度的升高，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明顯加快。Fe-GAC和GAC對C6+的吸附過程同時滿足物理吸附和化學吸附，其中化學吸附占主導地位。故升高溫度有利于提升活性炭對Cr6+的吸附性能。
3、結論
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?；钚蕴?/span>(GAC)做對比，考察吸附時間、溶液的pH值、溫度對Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影響，得到以下4個結論。
①隨著吸附時間的增加，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均增加。在1.5h前，Fe-GAC和GAC對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Cr6+的吸附率均降低。當pH<4時，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采用硝酸鐵對活性炭進行表面化學修飾，使改性后活性炭吸附Cr6+的能力提升，提高了對水中Cr6+的去除率，可作為吸附劑用于實際工業(yè)含鉻廢水的處理。（來源：河南省科龍環(huán)境工程有限公司）