活性炭吸附法在電鍍廢水處理中的應用

摘要：采用活性炭吸附法處理含鉻電鍍廢水，研究活性炭吸附效率及工況參數(shù)，得到在一定條件下的吸附較佳PH值、吸附平衡時間、吸附等溫方程式及穿透曲線，用氫氧化鈉溶液再生處理活性炭能得到很好的效果。

在工業(yè)生產(chǎn)中，電鍍是必不可少的環(huán)節(jié)，隨著電鍍業(yè)的迅猛發(fā)展，大量的電鍍廢水對人類環(huán)境造成越來越嚴重的危害。在含鉻電鍍廢水中，含有大量鉻（VI）及少量的金屬陽離子和陰離子，如不經(jīng)處理直接排放，將造成嚴重的水環(huán)境污染。對含鉻廢水處理，目前主要采用生物法、離子交換法、化學還原法、電解法、化學沉淀法、電滲析法和吸附法。其中吸附法因操作簡單、投資省、處理效果好而被較多應用。

本實驗綜合靜態(tài)法和動態(tài)法，在大量實驗研究的基礎上，得出處理的較佳工藝條件；吸附PH＜4，吸附平衡時間5h，吸附等溫方程q=9.95C0.362，吸附容量0.347L廢水/g活性炭，活性炭再生以20%氫氧化鈉溶液浸泡3h。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1.1.1 化學吸附

活性炭具有的性質(zhì)就是在活性炭表面上存在大量的含氧基因，如羥基—OH、甲氧基—OCH₃（在制造時引入）等，不單純是游離碳，而是含碳量多，分子量大的有機分子凝聚體，基本上屬于苯核的各種衍生物。當PH=3~4時，由于上述含氧基因的存在，使微晶分子結構產(chǎn)生了電子云，由氧向苯核中碳原子方向偏移，使羥基上的氫具有較大的靜電引力（正電引力），因而能吸附Cr2072-或Cr2042-等負離子，形成了一個相對穩(wěn)定的結構，即：RC-OH+Cr₂O^2-₇→RC-O...H⁺...Cr₂O^2-₇

結構式中的箭頭表示電子云密度移動的方向，可見活性炭對Cr⁶⁺有明顯的吸附效果。

活性炭對鉻除有吸附作用之外，還有還原作用。在酸性條件下（PH＜3），活性炭可將吸附在表面的Cr⁶⁺還原為Cr³⁺，其反應式是：

3C+4CrO42-+2OH⁺→3CO₂↑+4Cr³⁺+10H₂O

1.1.2 物理吸附

活性炭具有非常多的微孔結構和巨大的比表面積，通常1g活性炭的表面積達700~1700m²，因而具有很強的物理吸附力，能有效地吸附廢水中的六價鉻離子（Cr⁶⁺）。

1.2 實驗材料與裝置

1.2.1 實驗廢水

本實驗所用廢水取自某機械廠電鍍廢水，其水質(zhì)主要成分見表1。

表1 廢水成分

項目	指標（mg/L）
Cr6+	270-300
Fe2+、Fe3+	0.21-0.28
Ni2+	0.10-0.23
PH	2.4-3.0

1.2.2 儀器與試劑

7200型分光光度計、電子天平、振蕩器、活性炭（顆粒和粉狀）、重鉻酸鉀、硫酸、氫氧化鈉。

1.2.3 吸附柱

如圖1所示，采用小型玻璃柱（φ=40mm，h=300mm）加入一定量活性炭，充當固定床層，控制廢水流量，使廢水通過布水器均勻通過床層，進行常壓過濾吸附，收集不同時間濾出液，測定其中鉻含量，其測定方法采用二苯碳酰二肼分光光度法。

2 結果與計論

2.1 PH值對處理效果的影響

先用去離子水從吸附柱上端注入，將活性炭濾層完全濕潤。用0.5%H₂SO₄溶液和0.5的NaOH溶液調(diào)節(jié)廢水PH分別為2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0，讓其分別通過活性炭吸附柱，每兩次操作之間用去離子水清洗。取流出液，測定其Cr⁶⁺含量，與廢水中原Cr⁶⁺含量比較，得到不同的去除效率，如圖2所示。

由圖2可以得出，PH值控制在少于4的酸性范圍，含鉻廢水中有大量的Cr2072-離子，在較強的酸性條件下，和活性炭的有效吸附成分形成較為穩(wěn)定的化合物；隨著PH值加大，水溶液中OH ^-濃度加大，加大了化合物的離解度，降低了活性炭對Cr⁶⁺的吸附，本實驗確定吸附較佳PH＜4。

2.2 吸附平衡時間測定

在盛有含鉻廢水25ml的三角瓶中，加入相同量（0.8g）的活性炭（粉末），調(diào)節(jié)PH=2.5，置于振蕩器上，分別振蕩1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0h，測定上層清液Cr⁶⁺含量，結果如圖3。

對于廢水處理中的吸附，發(fā)生在液固相界面上，且屬多層物理吸附，隨吸附時間加大，吸附過程更加充分，Cr⁶⁺去除率逐漸加大，至5h后，吸附層達到飽和，吸附和解吸速度達到平衡，Cr⁶⁺去除率不再加大，本實驗測定吸附平衡時間為5h。

2.3 吸附等溫線

在盛有含鉻廢水25ml的三角瓶中，分別加入不同量的活性炭（粉末），調(diào)節(jié)PH=2.5。置于振蕩器上振蕩5h，測定上層清液Cr⁶⁺含量，作活性炭用量與Cr⁶⁺去除率關系曲線，見圖4。

再作單位活性炭的吸附量q與上層清液Cr⁶⁺含量C的對數(shù)關系曲線，即為吸附等溫線，見圖5，其中q表示單位質(zhì)量活性炭可吸附Cr⁶⁺的量（mg/L），C表示振蕩后清液Cr⁶⁺含量（mg/L）。

在中等壓力范圍內(nèi)，靜態(tài)法吸附符合Freundlich方程，k表示一定溫度下，廢水中Cr⁶⁺為單位濃度時，單位質(zhì)量活性炭的吸附量；n表示吸附過程的難易程度。本實驗得出活性炭吸附含鉻電鍍廢水的Freundlich方程為q=9.95C0.362。

2.4 穿透曲線的測定

采用顆粒狀活性炭柱，粒度30~50目，活性炭用量22.5g，廢水濃度為34.5mg/L，PH=2.50，過濾吸附時間20h，廢水流量控制為10m1/min，測定濾出液中Cr⁶⁺含量，穿透曲線見圖6、圖7。

曲線圖6、圖7可以得出，當吸附時間t=13h時，Cr⁶⁺去除率為86.5%，t=14h時，去除率為74. 7%，t=15h時，去除率下降至58.1%。實驗測得顆數(shù)炭動態(tài)吸附容量為0.346L廢/g活性炭，相當于每克活性炭吸附11.95mg Cr⁶⁺。

2.5 活性炭再生

活性再生常采用加熱、酸浸泡、堿浸泡等方式。

本法采用堿處理再生活性炭。其原理為：當溶液的PH＞6時，原活性炭表面的吸附位置全被OH^-奪取，活性炭對Cr⁶⁺的吸附明顯下降，甚至不吸附。反應式為：

吸附：RC-OH+Cr₂O^-2₇→RC→O...H⁺...Cr₂O^-2₇

解吸（PH＞6）：RC-OH+OH^-→RC→O...H⁺...OH^-

實驗結果如表2所示：

表2 活性炭再生處理

再生方法	再生時間（h）	去除率（%）
20%NaOH浸泡	2	81.4
	3	84.2
	4	84.3
	5	84.2

3 結論

經(jīng)過實驗得出較佳工藝條件為：PH＜4；平衡吸附時間為5h；吸附等溫方程式q=9.95C0.362；穿透時間為13h；吸附容量0.346L廢水/g活性炭，相當于11.95mgCr⁶⁺/g活性炭，可用20%NaOH再生活性炭，可取得較滿意的效果。