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活性炭用于企业废水处理研究

2024-11-14 61 上传者：管理员

摘要：本文通过制备磁性铁-黑茶渣基活性炭，采用控制变量法探究活性炭对企业废水中六价铬离子的吸附特性，并与黑茶活性炭及椰壳活性炭的去除吸附效果进行对比分析。实验结果表明，随着pH值的增加，3种活性炭的吸附效率均有明显下降。当pH值为2时，六价铬的去除率达到最大，高达100%。在较高的振荡速度下，磁性活性炭表面的六价铬吸附量明显增加，振荡速度为100r/min时，磁性铁-黑茶活性炭的去除率高达91%。而当投加量达到1.0g时，磁性铁-黑茶活性炭对六价铬的去除率开始趋于稳定，达到100%的高水平状态。

关键词：
企业废水
六价铬离子
处理研究
活性炭
难处理
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六价铬是许多工业的副产品，由于其污染的剧毒性、难处理、分布广而备受关注。作为重工业中用量较多的原料之一，其污染主要源于电镀、化学品、炼钢和铸造、采矿、油漆和印刷等行业的工业废水排放[1]。上述企业生产会产生大量的铬离子废水，而六价铬废水通过土壤的渗透和滞留，导致地下水污染、土壤污染和耕地受损等问题。因此，采取可持续的污染防治措施以确保生态平衡和人类健康刻不容缓。

磁性活性炭是一种新型的吸附材料，其吸附原理融合活性炭的物理、化学吸附机制以及磁性材料的磁场响应特性，使得磁性活性炭具有较高的吸附效率、易分离回收和再利用等优势[2]。但目前磁性活性炭尚未在企业废水中得到有效应用。而黑茶渣是一种可再生的天然资源，具有较高的比表面积和吸附性能。黑茶渣经高温炭化后得到的活性炭具有比表面积大、孔隙结构丰富、吸附能力强等优点，但由于黑茶渣的比表面积较小，其吸附性能无法满足实际需求。将磁性活性炭和黑茶渣相结合，可以进一步提高企业废水吸附效果。

基于此，本研究使用磁性铁-黑茶活性炭吸附企业废水中的Cr6+，并进一步研究活性炭对p H值、振荡速度和投加量等的吸附效果。同时将磁性铁-黑茶活性炭与黑茶活性炭和椰壳活性炭的吸附能力进行对比。研究结果可为企业废水处理提供参考。

1、实验材料与方法

1.1实验水样

本实验用水均为去离子水。将0.2829g的重铬酸钾置于110℃的温度下干燥2h后，用适量水将其溶解，转移到1L容量瓶中，加水至刻度线并充分混匀，装入试剂瓶中备用，得到100mg/L的六价铬溶液。

1.2实验材料

1）黑茶渣：购自福建德化，由福建省农业科学院茶叶研究所提供。用蒸馏水浸泡，并用超声波辅助破碎，采用微波辅助加热方式进行炭化。取200～500g炭化后的黑茶渣装入不锈钢坩埚中，置于马弗炉中于700℃下加热8h。用分光光度计测定样品中总酚含量，计算出灰分和水分含量，分别为0.69%和10.00%[3]。

2）硫酸亚铁：购自天津市大茂化学试剂厂，取200mL稀硫酸与硫酸亚铁反应生成FeSO4·7H2O，再将FeSO4·7H2O溶于蒸馏水中。

3）铁黑茶渣：购自浙江省台州市黄岩区紫金乡，以4份黑茶渣为原料，在500℃下炭化3h。取一定质量的炭化后的黑茶渣加入到磁化装置中，经磁力搅拌5min后，再在300℃下将磁化后的活性炭进行高温炭化。将所得活性炭过滤后分别用去离子水和纯水冲洗2次，烘干后称重，计算其灰分和水分含量。

1.3实验方法

取配制好的六价铬废水30mL，按照实验条件调节并加入吸附剂。按照设计好的时间、振荡速度和温度置于恒温振荡箱中振荡，在漏斗架上快速过滤，取1mL滤液在50mL比色皿中，加水至刻度线。加入0.5mL硫酸溶液和0.5mL磷酸溶液，摇匀并加入2mL显色剂，摇静置5～10 min，在540nm波长处，以水作参比，用10nm的比色皿，测定样品吸光度。

2、活性炭吸附六价铬的单因素影响实验

本节采用磁性铁-黑茶渣活性炭对企业废水中的六价铬进行吸附，设定六价铬溶液初始浓度为100mg/L，通过改变吸附过程的pH值、振荡速度、活性炭投加量等条件，研究磁性铁-黑茶渣活性炭对水中六价铬的去除率，同时与黑茶活性炭、椰壳活性炭的吸附效果进行对比。

2.1 pH值对活性炭吸附六价铬的影响

设定p H值为变量，分别为p H=2、4、6、8、10、12。温度固定为30℃，振荡时间为2h，投加量为0.4g，振荡转速为150r/min。活性炭吸附六价铬的实验结果如图1所示，随着p H值的增加，3种活性炭的吸附效率均有明显下降。当p H值为2时，六价铬的去除率达到最大，高达100%。主要原因是在酸性条件下（pH值<7），溶液中的铬元素主要以HCr O4-的形式存在，该存在形式具有较高的储氧能力，可以吸附更多的H+，而活性炭和H+可以共同吸附溶液中的Cr6+。随着p H值的升高，活性炭表面上的氨基质子化程度会降低，溶液中OH-的浓度增加，六价铬被吸附的概率也会减少。且可以观察到，当pH值介于7～12时，磁性铁-黑茶活性炭的去除率均大于黑茶活性炭、商用椰壳活性炭，最大去除率为94%，当p H值为12时，磁性铁-黑茶活性炭的去除率为70%，较黑茶活性炭与椰壳活性炭分别增加12.9%和14.75%。

2.2振荡速度对活性炭吸附六价铬的影响

图2为振荡速度对活性炭吸附六价铬的影响，实验结果表明，振荡速度对磁性活性炭吸附六价铬影响较为显著。在振荡速度为0r/min时，磁性铁-黑茶活性炭、黑茶活性炭和椰壳活性炭的六价铬吸附量较低，Cr6+去除率分别为83%、81%、78%，主要因为六价铬的扩散速率较慢，很难与吸附物表面充分接触。而在较高的振荡速度下，磁性活性炭表面的六价铬吸附量明显增加，且振荡速度的加快有助于提高六价铬分子的扩散速度和吸附位点的接触频率。振荡速度为100r/min时，磁性铁-黑茶活性炭的去除率为91%，较黑茶活性炭和椰壳活性炭分别增加9.63%、10.97%。而当振荡速度超过150r/min阈值时，去除率增加幅度较小，磁性铁-黑茶活性炭较振荡速度100r/min时，仅增加1.09%，而黑茶活性炭和椰壳活性炭的去除率较振荡速度100r/min时，分别降低了1.23%、1.21%，主要由于吸附位点的饱和或外部扩散所限制。且可以观察到，磁性铁-黑茶活性炭的六价铬去除率远高于黑茶活性炭，而黑茶活性炭的孔隙率虽比磁性铁-黑茶活性炭大，但制备活性炭过程中部分孔隙被堵塞，孔隙吸附点位降低，因此导致黑茶活性炭去除率较小。

图1 pH值对活性炭吸附六价铬的影响

图2振荡速度对活性炭吸附六价铬的影响

图3活性炭投加量对活性炭吸附六价铬的影响

2.3活性炭投加量对吸附六价铬的影响

图3为活性炭投加量对活性炭吸附六价铬的影响，随着投加量的增加，六价铬去除率先迅速上升后趋于平缓，主要由于溶液中的六价铬浓度逐渐降低使得六价铬和活性炭上的活性位点接触机会变少。当投加量为0g时，磁性铁-黑茶活性炭的去除率高达84%，而黑茶活性炭和椰壳活性炭的去除率分别为75%、70%。随着投加量的增加，活性炭的单位吸附能力呈上升趋势。且由于活性炭仅一次性投加，导致炭颗粒被堆积，吸附点位过于密集，从而降低活性炭的总活性位点，致使其吸附能力增加缓慢。当投加量达到1.0g时，磁性铁-黑茶活性炭对六价铬的去除率开始趋近于稳定，达到100%的高水平状态。主要因为当溶液中Cr6+的浓度保持不变时，更多的活性炭可以提供更多的活性吸附位点，因此可以增加对六价铬离子的吸附量，从而实现更好的去除效果。

3、结论

本文主要研究影响磁性铁-黑茶渣基活性炭吸附Cr6+的3个单因素，分别为pH值、振荡速度、炭投加量。当pH值为2、振荡速度为50r/min、炭投加量为1.2g时，磁性铁-黑茶活性炭的去除效果最高为96.36%。当投加量为0g时，磁性铁-黑茶活性炭的去除率高达84%，而黑茶活性炭和椰壳活性炭的去除率分别为75%、70%。随着投加量的增加，活性炭的单位吸附能力呈上升趋势。

参考文献:

[1]吴汉生.饮用被六价铬污染之井水的居民健康危害调查[J].环境与健康杂志,1986(6):9.

[2]祝洪芬.电镀行业六价铬污染的防治[J].山西冶金,2018,41(4):59-61.

[3]王德懂,王胜民,赵晓军.水泥中六价铬抑制剂的现状及发展[J].硅酸盐通报,2018,37(5):1625-1631.

文章来源:刘晓辉.活性炭用于企业废水处理研究[J].黑龙江环境通报,2024,37(11):19-21.