低温竹炭对Cr（VI）吸附性能的研究

范国荣，黄 敏，王宗德，杨光耀，方 楷

（江西农业大学 江西省竹子种质资源与利用重点实验室，江西 南昌 330045）

电镀、石化和制药是当今全球的三大污染工业。据不完全统计，我国每年排出的电镀废水约40亿m3。在电镀废水中，含有大量金属离子，如不经处理直接排放，将严重污染人类赖以生存的环境，特别是含Cr（VI）废水，由于难降解性、高毒性和高致癌性，其有效治理引起人们广泛关注[1]。六价铬很容易被人体吸收，它可通过消化道、呼吸道、皮肤及粘膜侵入人体。人体通过呼吸空气中含有不同浓度的铬酸酐时有不同程度的沙哑、鼻粘膜萎缩，严重时还可使鼻中隔穿孔和支气管扩张等；经消化道侵入时可引起呕吐、腹疼。

对含Cr（VI）废水的处理方法主要有生物法、还原中和、离子交换法、化学还原法、电解法、化学沉淀法、电渗析法和吸附法等，其中吸附法因工艺简单、成本较低、操作方便、处理效果好而颇受重视，尤其适于低浓度含铬废水的处理，有着广泛的应用。吸附法中以活性炭对Cr（VI）吸附的研究比较多[2～5]，但用一般的活性炭吸附处理Cr（VI）成本较高，因此寻找成本较低而对Cr（VI）有较好吸附的新的吸附剂有一定意义。竹炭是一种新型的吸附剂，可用于对气体的吸附和废水的净化[6～8]。李巧玲等选用福州黑金刚炭业有限公司提供的经过近1 000℃高温煅烧的毛竹竹炭，竹炭对Cr（VI）吸附的饱和吸附量达到46.1 mg/g[9]。从张启伟，王桂仙等的研究可知，使用不同品种的竹材在不同烧制工艺和粉碎工艺获得的竹炭，对金属的吸附能力不同[10～11]。但低温竹炭对废水中Cr（VI）的吸附净化鲜有报道。

本文通过对经低温竹炭吸附后水中残余Cr（VI）离子的浓度测定，研究低温竹炭对Cr（VI）离子的吸附效果，探索低温竹炭作为一种新型吸附材料直接用于工业废水吸附Cr（VI）离子的可行性，考察了吸附条件对吸附的影响，为低温竹炭用于水质处理提供一定的科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验仪器、试剂与原料

数显鼓风干燥箱（GZX-9140 MBE，上海博迅实业有限公司医疗设备厂）；电子天平（YP1201N，上海精密科学仪器有限公司）；箱式电阻炉（SX-2.5-10，天津市泰斯特仪器有限公司）；微型高速万能试样粉碎机（FW80，天津市泰斯特仪器有限公司）；可见分光光度计（722N，上海精密科学仪器有限公司）；循环水真空泵（SHZ-IIID，上海亚荣生化仪器厂）。

丙酮（分析纯）；硫酸（分析纯）；重铬酸钾（分析纯）；二苯碳酰二肼（分析纯）。

实验材料为2007年10月采集于江西马头山自然保护区的5年生毛竹（Phyllostachys heterocyclacv.pubescens），放在实验室内气干待用。

1.2 制备竹炭

将完整的竹子剖成尺寸为（35 ～ 55）mm×（10 ～ 15）mm×（5 ～ 10）mm的试样，洗净，置于鼓风干燥箱中于105℃下干燥 24 h，然后放入干燥器中冷却至常温后，再置于坩埚，将坩埚放入箱式电炉中，调温至 550℃，炭化120 min，自然冷却至常温后取出，用高速万能粉碎机粉碎，过筛，分类收集（40 ～ 60目、60 ～ 80目、80 ～ 100目），贮于密封袋中备用。

1.3 竹炭对Cr（VI）的吸附率测定

分别称取一定量的低温竹炭于150 mL锥形瓶中，添加100 mL一定浓度的Cr（VI）离子溶液，静置至吸附平衡后，过滤。取适量滤液，采用二苯碳酰二肼分光光度法测定残余Cr（VI）离子的含量[12]。并按下式计算Cr（VI）离子吸附率：

式中：C0为Cr（VI）离子初始浓度（mg/L），C为Cr（VI）离子经吸附后残余浓度（mg/L）。

1.4 正交试验设计

表1 正交实验的因素与水平Table1 Factors and levels of orthogonal experiment

本实验采用正交实验，选用了其中 4个因素：因素A为竹炭粒度，因素B为吸附时间，因素C为Cr溶液初始浓度，因素D为竹炭用量，每个因素设3个水平，选用L9（34）表（表1）。

2 结果与讨论

2.1 正交实验的结果与极差分析

在竹炭吸附重金属Cr（VI）离子的过程中，竹炭的吸附受到各种因素的影响。本研究通过对不同竹炭的粒度与用量，以及Cr（VI）溶液初始浓度和吸附时间，来测定不同条件下竹炭对重金属Cr（VI）的吸附率。其正交试验方案及结果见表2。

由极差分析可知，4个因素对低温竹炭对重金属Cr（VI）吸附的影响大小是C > A > B > D，其中吸附质初始浓度是主要因素，竹炭粒度和吸附时间是居中因素，竹炭用量是次要因素。低温竹炭对重金属Cr(VI)吸附的最佳方案是A3B2C3D2，即吸附最佳条件为80 ～ 100目的竹炭粒度、120 min的吸附时间、10 mg/L的Cr溶液初始浓度以及0.9 mg的竹炭。

2.2 影响因素的方差分析

表3为各因素对重金属Cr（VI）吸附率影响的方差分析。

由表3可以看出，重金属Cr（VI）的吸附率的4个影响因素中，Cr溶液初始浓度因素的均方比大于F0.05(2.2) = 19.0，为显著因素，竹炭粒度和吸附时间及竹炭用量的影响不显著。

表2 L9（34）正交实验的结果和分析Table2 The result and the analysis of L9(34) orthogonal experiment

表3 方差分析Table3 Variance analysis

2.3 C因素各水平均值多重比较

由dfe= 2和k = 2，3，查得SSR值并计算出LSR值（见表4）

表4 SSR值与LSR值Table4 SSR value and LSR value

C因素各水平均值多重比较见表5。

表5 C因素各水平均值多重比较表（SSR法）Table5 Mean values’ multiple comparison of each level of factor C%

由表5得出：C因素（Cr溶液初始浓度）中C3、C2水平与C1水平差异显著，C3水平与C2水平之间差异不明显。根据平均值，C3吸附的效果最好，即10 mg/L。

3 结论

综合低温竹炭对Cr（VI）离子吸附率数据的极差分析、方差分析和多重比较可以得出：竹炭粒度、吸附时间、Cr浓液初始浓度和竹炭用量4个因子对于低温竹炭对重金属Cr（VI）的吸附影响大小为C > A > B > D，其中吸附质初始浓度是主要因素，竹炭粒度和吸附时间是居中因素，竹炭用量是次要因素。Cr溶液初始浓度因素的均方比大于F0.05(2.2) = 19.0，为显著因素，竹炭粒度、吸附时间及竹炭用量的影响则不明显。C3、C2水平与C1水平差异显著，C3水平与C2水平之间差异不明显。

低温竹炭对重金属铬Cr（VI）吸附的最佳方案是A3B2C3D2，即吸附最佳条件是竹炭粒度80 ～ 100目，吸附时间120 min，Cr溶液初始浓度10 mg/L，竹炭用量0.9 mg。

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