多种材料对重金属Cr(VI)的吸附性能研究

文章编号:100926094(2003)0120025205

多种材料对重金属C r(V I)的吸附性能研究Ξ

赵　勇,　魏国良,　魏晓慧

(河南农业大学环境系,河南郑州450002)

摘　要:本文以废物资源化为目的,以寻找廉价而有效的吸附材料为出发点,分别对活性炭、粉煤灰、蛭石、蜂窝煤渣、废酵母等五种材料吸附C r(V I)的效果进行了实验。结果表明:(1)每种吸附剂的剂量与铬去除率之间均成正相关关系,铬的去除率随吸附剂用量的增加而增加;(2)作为参照物的活性炭吸附效果最好,对C r(V I)的去除率可达99.78%,而啤酒酵母、改性蜂窝煤渣、粉煤灰、蛭石的最大吸附量分别可达到活性炭最大吸附量的94.84%,52.37%,45.11%,37.67%;(3)所选用实验材料的吸附性能由优到劣的排序为:啤酒酵母>改性蜂窝煤渣>粉煤灰>蛭石。

关键词:环境工程学;吸附材料;C r(V I);废水;固体废物;污染;啤酒酵母

中图分类号:X13112 文献标识码:A

0　引　言

随着我国电镀、皮革、染色、金属酸洗和铬酸盐等工业的迅猛发展,大量含铬废水的排放对环境的污染日益严重。铬易被人体吸收并在体内蓄积,有致癌危险[1,2]。高浓度含铬废水的处理方法通常采用化学沉淀法和电解法。上述方法的主要缺点为处置费用较高、能源消耗量大,C r(V I)还原不完全等。而低浓度含铬废水常用离子交换树脂处理,但也存在处置费用高的问题[2,3]。为克服这些缺点,近年来人们逐渐将目光投向操作简单、投资省的吸附处理法。因此,来源广泛、价格低廉、去除效率高的新型吸附材料的开发应用日益成为研究重点。

以活性炭作为吸附剂在处理含铬废水中已得到广泛应用。工业用粉末活性炭不仅生产过程中污染严重;产品在使用过程中也存在过滤困难,吸附容量小,耗用大量优质原材料,生产成本较高,价格昂贵的问题。因而限制了它的广泛应用[4]。开发新型廉价吸附材料成为环保界研究的热点。其中利用生物吸附材料、粘土矿物、多孔性结构的废弃物作吸附剂是近年来研究最多的三大重点。据报导,微生物(酵母、曲霉、青霉和毛霉属),粘土矿物(膨润土、硅藻土、麦饭石等),固体废弃物(炉渣、粉煤灰、蜂窝煤渣、锯沫等)均具有较好的吸附性;但以上材料对C r (V I)吸附的相关研究,报导较少。为此,本文选取啤酒酵母、蛭石、粉煤灰、蜂窝煤渣作为吸附实验材料,与活性炭置于相同的条件下,探讨了其对高浓度C r(V I)吸附性能。

1　材料与方法

1.1　实验材料

1)活性炭粉末(北京活性炭厂);

2)啤酒酵母(取自郑州奥克啤酒厂);

3)蛭石(产地河南南阳);

4)粉煤灰(取自郑州市热电厂);

5)蜂窝煤渣(取自居民生活炉灶)。

1.2　仪器

1)UV755B型分光光度计;

2)TH Z-82气浴恒温振荡器;

3)T GL-16GB小型通用离心机;

4)P W-100型电动粉碎机,60目尼龙网筛;

5)101-3-BS自动恒温干燥箱;

6)1 10000电子天平;

7)精密pH计。

1.3　试剂

1)6.89g L高质量浓度铬储备液,0.5g L铬标准溶液;

2)酸碱调节液:0.5%稀H2SO4,0.5%稀N aOH;

3)1%HCL溶液,1mo l L HCL溶液,95%乙醇,二次蒸馏水。

1.4　样品预处理

1.4.1　粉碎过筛

将蜂窝煤渣与蛭石分别粉碎,过60目筛。活性炭与粉煤灰,去除杂物后直接过60目筛。

1.4.2蜂窝煤渣的改性处理

蜂窝煤渣的主要成份为硅、铝氧化物,其结构特征为多孔性物质,具有一定的比表面,有吸附活性。但使用过程发现,煤渣吸附容量较小,需要经常更换,给使用造成很大麻烦。为此,需对蜂窝煤渣进行表面改性处理。改性方法为[6]:取粉碎好的60目煤渣250g,加入500mL浓度为1mo l L的HCL溶液中,室温浸泡24h,过滤,然后用蒸馏水洗至滤液的透光率在97%以上(以蒸馏水作参比),过滤烘干,再用95%乙醇洗至透光率在97%以上(以95%乙醇作参比),在105℃下烘干2h,放入干燥器中备用。

1.4.3　啤酒酵母的预处理

将压滤过的块状废酵母置于烧杯中,先用1%HCL溶液洗,过滤,再用二次蒸馏水洗,洗去营养离子,过滤后于烘箱中80℃烘2h,取出放在冰箱中备用。

1.5　实验方法

准确配置浓度为0.689g L的高质量浓度含铬溶液(模拟电镀废水样[1])供实验使用。

取0.689g L的铬溶液50mL于250mL锥形瓶中,加入

第3卷第1期2003年2月

安全与环境学报

　Jou rnal of Safety and Environm en t

V o l.3,N o.1

Feb,2003

Ξ收稿日期:2002209205

作者简介:赵勇(1971-),男,副教授,从事污染生态及环境工程方面的研究。

吸附剂,调pH 值,恒温(25℃)搅拌,离心(180r m in ,15m in ),取其清液,稀释4倍(其中活性炭例外,因受分光光度计检出限的限制,活性炭吸附后的上清液采取直接测量的方法),用452

nm 的光线为入射光[1]

,1c m 石英比色皿,测其吸光度,在标准

曲线上找到其对应浓度,根据公式(C 0-C n ) C 0×100%计算铬的去除率。

2　结果与讨论

2.1　活性炭对Cr (V I )的吸附

取0.689g L 铬溶液50mL 若干份,分别加入3g ,4g ,5

g ,6g ,7g 活性炭粉末,其中每种剂量做3个平行样与1个空白

样。调节pH =4[8],恒温振荡吸附30m in ,测上清液吸光度,结果见图1

。

图1　活性炭用量与铬去除率的关系

F ig .1　The relation sh ip between the amoun t of active charcoal and the

ratio of re mov i ng chro m iu m

从图1可以看出,铬的去除率随活性炭投加量的增加而增加。当活性炭投加量增至5g 时,铬去除率的增加明显加剧,使用7g 以上的吸附剂即可使铬的去除率接近100%。

活性炭优良的吸附性能是被实验多次证明的事实,但实验中同时也发现,活性炭的沉降性能与其它吸附材料相比较差,这便给实际应用中固液分离过程造成一定困难;因此,如何改变活性炭的物理化学性状以增强其沉降性能,也是活性炭吸附效果有待解决的一个问题。

2.2　啤酒酵母对Cr (V I )的吸附

与活性炭操作方法相同,取0.689g L 铬溶液50mL 若干份,加不同剂量的备用酵母,调pH =2[2]

,恒温振荡,离心,取清液稀释4倍,测其吸光度,结果如图2

。

图2　酵母菌用量与铬去除率的关系

F ig .2　The relation sh ip between the amoun t of yeast bacter i a and the

ratio of re mov i ng chro m iu m

从图2可以看出,投加适当剂量的酵母菌,可获得较理想的去除效果,且酵母菌的投加量与铬去除率之间有较强的相关性,随酵母菌用量的增加,铬去除率显著提高,并在实验所选取

的3～7g 范围内,均处于显著提高阶段。由于投加量超过7g 溶液混浊,不利于固液分离,实践中无法应用,因此研究已无实际意义。

2.2.1　吸附机理

从重金属生物吸附机理分析,吸附去除重金属的主要环节为:重金属离子→吸附剂固液边界层→吸附剂表面→吸附剂微孔→与活性位点结合从而被除去。对酵母菌除C r (V I )机理的研究认为[2],该吸附过程包括氧化还原反应和离子交换。由水溶液中C r (V I )不同形态的平衡常数得到的形态分布图说明,C r (V I )的主要存在形态为HC rO 4-和C rO 42-,pH <4时

HC rO 4-为主要形态,pH >7时C rO 42-为主要形态。以HC rO 4-

或C rO 42-为主要形态均会发生上述反应。假定HC rO 4-吸附在生物材料表面以离子交换和氧化生物材料方式进行。由于吸附发生了阴离子交换,当pH 升高时,体系不能提供足够的H +使反应右移,因此吸附能力下降。当pH 太低,有足够的H +,

HC rO 4-可吸附于生物体表面,但会发生氧化还原反应,产生的

C r

3+

通过阳离子交换与H +竞争结合点,H +离子浓度在低pH

时远大于C r 3+浓度,所以低pH 时对C r 3+的吸附能力很低。故酵母菌的吸附过程存在一个最佳酸度。本次实验测试pH 范围在1.0～8.0,实验证明pH =2时对C r (V I )吸附效果最好,即

C r (V I )主要以HC rO 4-形式被酵母菌吸附。而且在pH =2时,大量存在的常见离子,如N a +,Ca 2+,M g 2+,C l -等对吸附影响不大,说明酵母菌对重金属离子的吸附有一定的选择性。

2.2.2　吸附性能提高方法

除常见的吸附温度、时间、pH 值等因素对吸附效果影响较大以外,生物吸附剂的处理方法对吸附剂的性能也产生较大影响。国内学者曾对啤酒酵母用喷雾干燥、乙醚、酶、碱四种不同方法进行处理,四种方法相比较结果是[5]:经乙醚处理的菌体较大地提高了吸附性能,说明细胞壁中所含的脂类对吸附无重要作用,并且脱脂后,增加了细胞壁的通透性,使其暴露出更多的活性位点,增进了菌体的吸附性能。而经酶处理和碱处理的菌体吸附性能下降,且与其蛋白质含量的下降相对应。可见,细胞所含蛋白质对吸附起重要作用。因此,可以采用乙醚处理法或其它能够增强细胞壁通透性而不影响其蛋白质含量的处理方法改善酵母菌的吸附性能。

酸碱预处理对吸附量产生不同的影响。在实验条件下,经过N aOH 预处理的啤酒酵母的吸附量有所下降,经过HC l 预处理的啤酒酵母的吸附量有所增高。对大多数吸附过程而言,系统pH 是影响吸附量的决定因素,但金属吸附量与pH 值之间并不呈简单的线性关系,通常有一最佳pH 值范围。在任何极限pH 条件下都会降低吸附量,尤其是在pH 值较低的情况下。由于吸附发生了阴离子交换,当pH 升高时,体系不能提供足够的H +使反应右移,因此吸附能力下降。

pH 调节后尽管可以提高酵母的吸附性能,但是也造成废

水pH 的减低,不符合排放标准;因此要在重金属铬吸附后,对废水采用廉价的石灰调节酸碱度,使其pH 到6以上,达到水质排放标准。

2.2.3　吸附平衡曲线

按相同的操作方法,取相同量的酵母菌于比色管中,分别加入不同浓度的C r (V I )溶液,维持pH 为2。计算吸附后溶液

6

2安全与环境学报第3卷第1期