铁质多孔滤料除铬研究

铁质多孔滤料除铬研究电镀行业排放的废水中往往含有较高浓度的六价铬及总铬。目前，较成熟的处理技术为化学药剂沉淀法、离子交换法、活性炭吸附法、浓缩回用法、电解还原法等，但上述技术总是由于技术或经济上的原因，在使用过程中难以取得理想的效果。本文开发铁质多孔性滤料，对电镀含铬废水进行了处理试验研究。1铁质多孔滤料1.1制备铁质多孔滤料采用铁质精矿粉和氧化铁磷经化学法制备成内部含有大量微孔的铁质多孔性物质，并制备成一定粒径的颗粒。1.2主要物化性能铁质多孔滤料（以下简称海绵铁）的主要成分为铁元素，全铁的质量分数大于96％，金属铁的质量分数大于90％，碳元素的质量分数约为3％。其粒径范围为0.30－3.00mm、孔隙率3≥60％、密度为2.35－2.75g／cm3、比表面积约为40－70m2/g、堆积密度为1.60g／cm3。2除铬机理探讨海绵铁自身主要成分为铁和碳，当海绵铁处在水溶液中时就形成无数个原电池，作为阳极的铁元素失去电子，形成Fe2+进入溶液，而溶液中的H+在作为阴极的碳元素表面得到电子还原为H2。进入溶液中的Fe2+作为还原剂与溶液中的Cr6+反应，使Cr6+还原为Cr3+，而Fe2+氧化为Fe3+，在适宜的PH值条件下产生Cr（OH）3和Fe（OH）3沉淀，从而从废水中去除。基本反应如下：海绵铁的阳极反应：Fe→Fe2+2eE0=-0.44V阴极反应：2H++2e→H2E0＝0.00V氧化还原反应：3Fe2++Cr6+→3Fe3++Cr3+Cr3++3OH-→Cr（OH）3↓Fe3++30H、Fe（OH）3↓3除Cr6+试验3.1静态法量取一定量模拟废水（采用重铬酸钾配制的含铬废水）于锥形瓶中，加入一定量的海锦铁，置于转速为140r／min的恒温床上振荡，使废水与海锦铁充分接触反应，采用分光光度法测定处理后废水中六价铬离子的浓度[1]，计算海锦铁对六价铬离子的去除率。静态试验在不同的海绵铁粒径、不同温度和pH值等条件下分别进行。3.2动态法采用内径为16mm，长度为1600mm的有机玻璃管，内填充海锦铁，海锦铁的装填高度为1000mm，使滤料紧密堆聚。废水由高位水箱进入恒位水箱，然后以一定流速通过滤柱，测定处理后废水中六价格离子的浓度，计算海锦铁对六价铬离子的去除率，确定海锦铁的滤柱的最佳滤速。4试验结果及讨论4.1静态试验4.1.1反应时间的影响称取粒径为1.00－2.00mm的海锦铁10g置于100mL含Cr6+的质量浓度为20mg／L的废水中振荡。分别在0，2，4，5，6，8min时取样，测出残余Cr6+的质量浓度，时间；与残余Cr6+的，质量浓度变化曲线见图1。最终确定静态试验降解过程的反应时间为5min。4.1.2海锦铁粒径的影响海锦铁粒径的选择直接影响Cr6+的去除效果，选取不同粒径组合的海锦铁各10g置于100mL含Cr6+的质量浓度为20mg／L的废水中振荡，作用时间为5min。试验结果见表1。从理论上讲，海锦铁是一种多孔性的颗粒状固体，粒径越小，参与反应的海锦铁总表面积越大，表面能越高，有利于腐蚀原电池的形成，从而可提高去除能力[2]。但从实际生产运行的角度考虑，粒径越小，当小于1.00mm时，运行中水头损失较大，且易结块，产生沟流，长时间运行会影响出水效果和产水量。从水质要求、经济成本综合考虑，选定粒径范围为1.45－2.00mm的海锦铁作为本试验的适宜粒径。表1不同粒径组合试验结果粒径组合/mm反应后ρ（Cr6+.L-1)去除率/%0.50-1.000.5097.501.00-1.450.7596.251.45-2.003.8081.00＞2.006.7266.404.1.3pH值的影响取Cr6+的质量浓度为20mg／L的废水100mL置于250mL锥形瓶中，称取10g粒径为1.45－2.00mm的海锦铁，分别放入上述锥形瓶中，调节pH值，测定其处理效果，结果见图2。可以看出，pH值对溶液中Cr6+转化率的影响很大，pH值越小，转化速率越快，Cr6+原为Cr3+越完全。但考虑到所转化的Cr3+的进一步去除，需要形成Cr（OH）3沉淀，方可以从废水中分离，因而太低的pH值会导致Cr3+难以形成Cr（OH）3沉淀，造成出水总铬超标；当pH值小于4时，酸耗及海锦铁耗量增加，导致处理成本的增加，同时增加了水中Fe2+的含量，使出水颜色加深，增加后续处理；而且在实际运行中，pH值对过滤的影响是多方面的，存在设备的耐酸性和管道的维护管理等问题。所以，综合考虑，建议pH取值一般在5－6之间。4.1.4温度的影响取Cr6+的质量浓度为20mg／L的废水100mL置于250mL锥形瓶中，称取10g粒径为1.45－2.00mm的海锦铁，分别放入上述锥形瓶中与含铬废水混合，分别在不同温度下进行试验，测定其处理效果，结果见图3。可以看出，用海锦铁处理含铬废水，随着废水水温的增高，去除率明显上升，尤其在温度超过10℃时，去除率显著比0℃时提高，但温度在20－30℃时，去除率增长速率并不是很快，实验室建议采取最佳处理温度为20℃。4.2动态试验4.2.1过滤柱最佳滤速的选择称取320g粒径为1.45－2.00mm的海锦铁填充在内径为16mm，长度为1600mm的有机玻璃柱内，海锦铁的装填高度为1000mm，原液起始的质量浓度为19.141mg／L（以Cr6+计）进行动态试验，控制不同的过滤速度计算过滤柱对Cr6+的去除效果，结果见图4。试验结果表明，流速越小，去除率越高，但流速太小对实际处理工艺没有意义，因此考虑实际经济效益，确定υ＝8m／h为本试验的最佳过滤速度。4.2.2动态试验去除总铬效果研究考虑到实际生产运行时，含铬废水的来源复杂，而且其中铬的存在形态和价态也有多种。因此，针对海锦铁处理电镀含铬废水的实用性，对海锦铁去除总铬进行了连续运转试验。控制过滤速度υ＝8m／h，进水ρ（Cr6+）＝7.18mg／L，水温为16.5℃，PH值为5，试验结果见图5。从图5可以看出，海锦铁对总铬的去除率也较高。根据《污水综合排放标准》GB8978－1996表1中第一类污染物最高允许排放浓度，出水Cr6+的质量浓度维持在0.5mg／L以下，总铬的质量浓度在1.5mg／L以下，则对总铬的去除率在80％以上。当海锦铁过滤柱运行时间到9.5h时，出水总铬的质量浓度超过1.5mg／L，过滤柱产水量为19.09L，此时停止运行，进行反冲洗。反冲时有较多沉淀物排出，反冲后过滤柱恢复对铬的处理能力。采用多孔滤料对含铬废水进行处理是一种十分实用的技术。由于海锦铁自身的微电解作用，使得该工艺不需要消耗化学药剂，无电能消耗，仅采用过滤反冲即可维持系统的长期连续运转。对原水适应性强，操作简便。去除每克Cr6+需消耗海锦铁3.6g（理论值的1.1倍），以Cr6+的质量浓度为20mg／L的废水为例，每吨废水消耗海锦铁72g，约为0.15元，处理费用远低于其它方法，其技术经济性较为理想。5结语海锦铁作为一种金属多孔滤料处理含铬废水的技术还未见报道。本研究结果表明用粒径为1.45～2.00mm的海锦铁，在pH值为5～6，温度为20℃左右时，对六价铬及总铬均有很高的处理效果，可以满足处理含铬废水的要求。该法处理含铬废水具有高效、快速、操作简便、经济易行等优点，值得进一步研究和推广应用。