活性炭对水中六价铬的吸附研究

活性炭对水中六价铬的吸附研究摘要六价铬是公认的致癌物质，对人体健康危害极大，目前主要采用吸附法进行去除。活性炭是常用的吸附剂，通过硝酸改性可以增加活性炭表面的酸性官能团，提高去除效果。研究活性炭的投加量，吸附时间，温度，PH值等因素对六价铬去除率的影响。绘制吸附等温线，和吸附模型进行拟合，分析吸附机理。关键词活性炭改性硝酸六价铬吸附冶金，电镀，制革，印染，制药等行业排出大量金属废水，危害人类健康。废水中的Cr(Ⅵ)是一种强氧化剂，具有强致癌，致畸变，致突变作用，对生物危害极大。Cr(Ⅵ)属于第一类污染物，必须经处理达标才能排放。目前对含Cr废水的处理研究较多，主要有生物法，离子交换法，还原法，膜分离法，吸附法等。活性炭吸附法处理含Cr废水的效果稳定，且价格相对较低，但普通活性炭的吸附量不高，因此本试验研究以硝酸改性活性炭为研究对象，通过研究其在不同的PH，温度，投加量以及吸附时间条件下对Cr(Ⅵ)的吸附效果，以确定最佳吸附条件。1、实验部分1.1试剂和仪器活性炭、丙酮、（1+1）硫酸、（1+1）磷酸、铬标准储备液、铬标准液、二苯碳酰二肼溶液、硝酸恒温水浴、干燥恒温箱、分析天平、分光光度计、恒温水浴振荡器1.2溶液配制本实验中为防止含铬水样中铬离子浓度发生变化，在每个影响因素研究前水样是预先配置的。根据不同需要配置不同浓度。1.2.1铬标准储备液称取0.283g重铬酸钾置于烘箱中烘干2h。将烘好的重铬酸钾倒入100ml烧杯中，再倒入适量的蒸馏水。搅拌至完全溶解。将重铬酸钾溶液移入1000ml容量瓶中，再水稀释至标线，摇匀，备用。1.2.2铬标准溶液吸取5.00ml铬标准储备溶液置于500ml容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀，备用。1.2.3硫酸溶液用25ml的移液管移取浓硫酸50ml，缓缓加入到同体积的水中，摇匀，备用。1.2.磷酸溶液用25ml的移液管移取磷酸50ml，加入到同体积的水中，摇匀，备用。1.2.5显色剂称取0.2g二苯碳酰二肼，量取50ml丙酮，将二苯碳酰二肼溶于50ml丙酮中，移入100ml棕色容量瓶，加入水稀释至标线，摇匀。将显色剂放于暗处存放。1.3铬离子的检测取9支50ml比色管，依次加入0，0.20，0.50，1.00，2.00，4.00，6.00，8.00和10.00ml铬标准使用液，用水稀释至标线，加入（1+1）硫酸0.5ml和（1+1）磷酸0.5ml摇匀。加入2ml显色剂溶液摇匀。5~10min后，与540nm波长处，用1cm或3cm比色皿，以水为参比，测定吸光度，并作空白校正。以吸光度为纵坐标，相应六价铬含量为横坐标绘出标准曲线。1.4活性炭的改性1.4.1硝酸浓度的影响分别配置浓度为2mol/L、4mol/L、6mol/L、8mol/L的HNO3溶液，用移液管量取20mlHNO3溶液到锥形瓶中，然后称取四份1g柱状活性炭，分别放入装有硝酸的锥形瓶中盖上塞子，放于振荡器上，振荡10h，活化完成后，用布氏漏斗抽滤，同时用蒸馏水清洗滤纸上的活性炭至中性，然后放于烘箱中，在105℃下烘干，取出。然后用活化后的活性炭进行吸附试验并吸附效果评价。1.4.2改性时间的影响配置500mlmol/LHNO3溶液，用移液管量取100ml到150ml锥形瓶中，然后称取四份1g柱状活性炭，分别放入装有硝酸的锥形瓶中，盖上盖子，放于振荡器上，振荡时间1小时后静置，分别取2h、4h、6h、8h、10h。活化完成后用蒸馏水清洗活性炭至中性，然后用布氏漏斗抽滤，放于烘箱中，在105℃下烘干，取出。然后用活化后的活性炭进行吸附试验进行吸附效果评价。在最佳改性条件下，制备改性活性炭10g。2、总结与分析2.1不同投加量对含铬废水吸附性能的影响取0．1、0．2、0．3、0．4、0．5和0．6g活性炭分别投加于50mL浓度为90mg/L的Cr(Ⅵ)溶液(自然pH=5．96)中，置于振荡器上振荡，温度为20℃，转速为150r/min。振荡24h后过滤稀释测其浓度。结果表明，3种活性炭的吸附率都随投加量增加而提高。其中在投加量为0．3g时对于Cr(Ⅵ)的吸附在97%以上，AC吸附率为68．11%。当吸附剂投加量继续增加时吸附率增加到100%，AC吸附率不断增加。因此，对于50mL浓度为90mg/L的Cr(Ⅵ)溶液，最佳的吸附剂投加量为0．3g。2.2不同PH对含铬废水吸附性能的影响配制100mg/L的Cr(Ⅵ)溶液，用HNO3和KOH调节溶液pH为2．2、4．09、6．09、8．01、9．95和11．92。取0．2g活性炭分别投加于50mL不同pH溶液中，置于振荡器上振荡，温度为20℃，转速为150r/min。振荡24h后过滤稀释测其浓度。实验结果表明，Cr(Ⅵ)溶液pH越高，吸附率越低。pH从2．2升高到11．92，改性活性炭对Cr(Ⅵ)的吸附率从99．86%降低到3．23%，为改性活性炭则从97．05%降低到2．53%。pH为2．2时，2种活性炭吸附率最高都达到99%左右。2.3不同温度对含铬废水吸附性能的影响配制Cr(Ⅵ)溶液浓度为98mg/L(自然pH=5．97)。取0．2g活性炭投加于50mL溶液中，置于恒温振荡器上振荡，温度分别为25、40、55和70℃，转速为150r/min，振荡24h后过滤稀释测其吸光度。实验表明2种活性炭的吸附率都随温度增长而增加，这说明活性炭对Cr(Ⅵ)的吸附属于吸热反应。由于温度升高，分子运动剧烈，溶液中Cr(Ⅵ)与活性炭接触更为剧烈，吸附效果增加。同时温度升高活性炭表面官能团化学吸附速率增加，说明改性后吸附主要以化学吸附为主。说明改性后吸附性能有所增加。在温度为70℃时，2种活性炭吸附率都能达到98%以上。因此，适当的提高温度，能够更为有效地提高活性炭吸附效率。2.4不同吸附时间对含铬废水吸附性能的影响取0．2g活性炭投加于50mL浓度为95mg/L的Cr(Ⅵ)溶液(自然pH=6．00)中，置于振荡器上振荡，温度为20℃，转速为150r/min。一定时间后过滤稀释测其浓度。实验表明，2种活性炭的吸附率都随时间增长而增加。其中Fe-PAC吸附效果最佳，在240min时改性活性炭吸附率为66．29%。原料活性炭吸附效果最差，吸附率为35．55%。吸附过程在30min内吸附率增长迅速，在250min后吸附率增长缓慢，并不断趋于稳定。开始时吸附率增长较快是由于溶液中Cr(Ⅵ)浓度较大，吸附推动力较大，且吸附主要发生在活性炭外表面。随着时间增加，溶液浓度减小，吸附推动力减小，且Cr(Ⅵ)由大孔经过过渡孔进入微孔，传递速度不断减慢，使得吸附率增长缓慢，直至平衡。2.5初始浓度对活性炭吸附Cr(Ⅵ)的影响配制Cr(Ⅵ)浓度为40、95、139、172和212mg/L。取0．2g活性炭分别投加于50mL不同初始浓度溶液中，置于振荡器上振荡，温度为20℃，转速为150r/min，振荡24h后过滤稀释测其浓度。实验表明，2种活性炭的吸附率都随初始浓度增加而减小，而吸附量随着初始浓度增加而增加。这是由于当溶液中Cr(Ⅵ)浓度较低时，活性炭表面官能团较溶液中Cr(Ⅵ)过量，溶液中Cr(Ⅵ)能够迅速与活性炭发生吸附作用，使得去除率较高。当Cr(Ⅵ)浓度增加，活性炭表面官能团在很短时间内就达到吸附饱和，吸附速率减慢，吸附率降低。而在溶液中Cr(Ⅵ)浓度较大情况下，活性炭能够充分吸附，且由于溶液中Cr(Ⅵ)溶液浓度较大，溶液自然pH较低，有利于活性炭对Cr(Ⅵ)溶液的吸附，因此吸附量不断增加并趋于平衡。其中溶液浓度从40mg/L上升到212mg/L，改性活性炭吸附率从98%左右下降到50%左右，吸附量从9mg/g左右增加到25mg/g左右，未改性活性炭吸附率从71．33%降低到34．12%。吸附量从7．08mg/g增加到18．08mg/g。3、结论(1)活性炭在pH为2～6吸附效果较好，改性活性炭对于50mL浓度为100mg/L的Cr(Ⅵ)溶液吸附率在50%以上，都高于未改性活性炭对于Cr(Ⅵ)的吸附。(2)活性炭吸附含Cr(Ⅵ)溶液，在30min内吸附率增加迅速，在250min后逐渐减慢。改性活性炭为66．29%;未改性活性炭为35．55%。(3)随着温度升高吸附率不断提高。在70℃时，活性炭吸附率都能达到98%以上。(4)活性炭的投加量对铬的吸附具有明显的影响，随着投加量的增加铬的吸附率逐渐增加，但增加到一定程度时，活性炭对铬的吸附趋于平衡。参考文献［1］周加祥，刘铮．铬污染土壤修复技术研究进展．环境污染治理技术与设备，2000，1(4):52-56ZhouJiaXiang，LiuZheng．recentdevelopmentsinthere-mediationofchromium-contaminatedsoil．TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControl2000，1(4):52-56(inChinese)［2］陆昌淼，马世豪，张忠祥．污水综合排放标准详解．北京:中国标准出版社，1991［3］PellerinC．，BookerS．M．Reflectionsonhexavalentchromium:Healthhazardsofanindustrialheavyweight．EnvironmentalHealthPerspectives，2000，108(9):A402［4］杨君宁，符达．微量元素铬的研究进展．畜牧兽医杂志，2005，24(2):11-13YangJ．N．，FuD．Ｒesearchprogressofchromium．AnimalHusbandryandVeterinaryMedicine，2005，24(2):11-13(inChinese)［5］刘德超，姚浪群．微量元素铬营养研究进展．粮食与饲料工业，1994，(12):22-26LiuD．C．，YaoL．Q．Theresearchprogressoftraceelementchromiumnutrition．CerealandFeedIndustry，1994，(12):22-26(inChinese)［6］井明艳，孙建义．微量元素铬的研究进展．江西饲料，2005，(5):14-17JingM．Y．，SunJ．Y．Theresearchprogressofmicroelementchromium．JiangxiFeed，2005，(5):14-17(inChinese)［7］邓小红，宋仲容．含铬废水处理研究现状与发展趋势．重庆文理学院学报(自然科学版)，2008，27(5):70-73DengX．H．，SongZ．Ｒ．Theresearchstatusanddevelopmenttrendofchromium-containingwastewatertreatment．JournalofChongqingCollegeofLiberalArts(JCＲScienceEdition)，2008，27(5):70-73(inChinese)［8］ZayedA．M．，TerryN．Chromiumintheenvironment:Factoryaffectingbiologicalremediation．PlantandSoil，2003，249(1):139-156［9］吴克明，石瑛，王俊，等．离子交换树脂处理钢铁钝化含铬废水的研究．工业安全与环保，2005，3(4):22-23WuK．M．，ShiY．，WangJ．，etal．Ｒesearchesontheremovalofchromiumpollutionfromdullingwastewaterwithion-exchangeresins．IndustrialSafetyandEnvironmentalProtection，2005，3(4):22-23(inChinese)［10］俞勇梅，周渝生．生物法处理冷轧高浓度含铬废水的中试研究．宝钢技术，2006(1):13-16YuY．M．，ZhouY．S．Pilot-sc