粉煤灰基质滤料对水中高低浓度六价铬的吸附对比研究

朱浩强，荆肇乾，黄 新，佟银子

(南京林业大学土木工程学院，南京210037)

随着我国电镀、皮革、染色、金属酸洗和铬酸盐等工业的发展，重金属污染物铬对环境的污染越来越严重。水中Cr(Ⅵ)含量超过环境质量标准限值，饮用后有致癌危险。国家环保局早已把废水中的Cr(Ⅵ)列为治理的重点。我国燃煤电厂每年排出粉煤灰达7000多万吨，只有少部分得到综合利用，大部分仍然占用大片土地堆存起来，严重污染了环境，破坏了生态平衡，如何使粉煤灰变废为宝已成为研究热点。本文利用粉煤灰基质复合滤料为吸附材料，模拟对含铬废水的吸附，比较了该滤料对水中高浓度和低浓度Cr(Ⅵ)的吸附效果，并确定了吸附的最佳条件，为该滤料在含铬废水的应用提供可靠的技术参数。

1 试验材料与方法

1.1 实验材料

粉煤灰是燃煤热电厂等工业生产中排出的固体废弃物，其主要成分是SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3等，同时还含有少量的其它物质。粉煤灰具有多孔结构，孔隙率一般为60% ～75%，比表面积很大，具有较强的吸附能力［1－2］。粉煤灰粉末在实际工程中应用困难，将粉煤灰经过一定的活化处理后制成粒径为8mm的球形均质滤料，发挥其优良的吸附性能去除水中污染物。

1.2 实验方法

在含一定浓度Cr(VI)的溶液中加入适量的粉煤灰复合滤料，置于振荡器中，在一定温度下振荡一定时间后取适量溶液过滤。滤液用二苯碳酰二肼光度法于540nm处测定其吸光度［3－6］，利用标准曲线确定溶液中残余Cr(VI)离子浓度，并计算Cr(VI)的去除率。

2 结果与讨论

2.1 吸附时间的影响

在50mlCr(VI)初始浓度为1.00mg/L的溶液中，投加10g粉煤灰基质滤料，温度控制为35℃，振荡速度为200r/min，吸附时间取30min、60min、90min、 120min、 150min、 180min、 210min 和240min，测定吸附时间对其吸附效果的影响，实验结果如图1所示。

另外在50mlCr(VI)初始浓度为30.00mg/L的溶液中，投加35g粉煤灰基质滤料，吸附时间取30、60、90、120、150和180min，其它操作条件相同，测定吸附时间对其吸附效果的影响，实验结果如图2所示。

图1 吸附时间对低浓度Cr(VI)吸附效果的影响Fig.1 The effect of adsorption time on Cr(VI)adsorption with low concentration

图2 吸附时间对高浓度Cr(VI)吸附效果的影响Fig.2 The effect of adsorption time on Cr(VI)adsorption with high concentration

图1、2表明粉煤灰活性炭对Cr(VI)的吸附，开始时速度很快，随着时间推移，速度减慢，最后吸附达到平衡，单位滤料吸附量也符合同样的吸附规律。产生此现象的原因是在吸附初始阶段，吸附剂表面尚有大量空余的吸附位，故初期吸附较快;随吸附时间的延长，吸附位逐渐被占据，以及溶质扩散至吸附剂表面的浓度差 (推动力)下降，导致后期吸附困难。

吸附时间对低浓度Cr(VI)吸附效果的影响较为显著，需150min才达到吸附平衡，而对高浓度Cr(VI)的吸附60min后便能达到平衡，且对高浓度Cr(VI)的吸附率整体高于对低浓度Cr(VI)的吸附率。单位滤料吸附量也符合同样的吸附规律。这是因为单位体积内Cr(VI)含量提高增加了水中的活化分子数，加大了Cr(VI)与粉煤灰滤料接触的机会，使得吸附时间降低的同时提高了吸附效果。

2.2 滤料用量的影响

在50mlCr(VI)初始浓度为1.00mg/L的溶液中，分别加入5g、10g、15g、20g、25g、30g、35g和40g粉煤灰滤料;另外在50mlCr(VI)初始浓度为30.00mg/L的溶液中，分别加入10g、15g、20g、25g、30g、35g、40g和45g粉煤灰滤料。温度控制在35℃，振荡速度为200r/min，振荡60min后过滤取样分析，结果如图3和4所示。

图3 滤料用量对低浓度Cr(VI)吸附效果的影响Fig.3 The effect of filter material amount on low concentration of Cr(VI)adsorption

图4 滤料用量对高浓度Cr(VI)吸附效果的影响Fig.4 The effect of filter material amount on high concentration of Cr(VI)adsorption

结果表明粉煤灰滤料的用量对Cr(VI)吸附效果的影响非常明显。随着滤料量的增加，吸附率也显著增加。由图3看出，滤料量的增加使得吸附率不断增加，但单位吸附量却迅速下降，可见，处理低浓度Cr(VI)无法使滤料得到充分的利用。

由图4可知，在开始阶段随着滤料量的增加，吸附率大幅上升，当投加的滤料量为35g时，吸附率达到85.25%，单位吸附量也达到最大值。此后，随着滤料的继续增加，吸附率几乎保持不变，而单位吸附量却逐渐下降。

2.3 Cr(Ⅵ)初始浓度的影响

控制Cr(VI)的初始浓度分别为1.00 mg/L、2.00 mg/L、3.00 mg/L、4.00 mg/L、5.00 mg/L、6.00 mg/L，在50 ml溶液中投加10 g滤料;另外控制 Cr(VI)的初始浓度分别为10.00 mg/L、20.00 mg/L、30.00 mg/L、40.00 mg/L、50.00 mg/L和60.00 mg/L，在50 ml溶液中投加35g滤料。温度控制在35℃下振荡吸附60 min，实验结果如图5和6所示。

图5 初始浓度 (低)对Cr(VI)吸附效果的影响Fig.5 The effect of initial concentration(low)on Cr(VI)adsorption

图6 初始浓度 (高)对Cr(VI)吸附效果的影响Fig.6 The effect of initial concentration(high)on Cr(VI)adsorption

当Cr(Ⅵ)的初始浓度较低时，随着 Cr(Ⅵ)初始浓度的增加，吸附率逐渐增加，单位吸附量也符合同样的规律。对于初始浓度为6.00mg/L的Cr(Ⅵ)去除率已达到82.46%。当Cr(Ⅵ)的在较低浓度范围时，初始浓度的提高在提高吸附率的同时，可有效提高滤料的综合利用率。

当Cr(Ⅵ)的初始浓度较高时，随着溶液初始浓度的增加，虽然去除率在下降，但粉煤灰滤料的单位吸附量在增加。当水中Cr(Ⅵ)的初始浓度为60.00 mg/L时，去除率仍能达到62.04%。利用该滤料吸附高浓度Cr(Ⅵ)可显著提高滤料的单位吸附量和利用率。

3 结论

(1)粉煤灰基质滤料对水中Cr(VI)的吸附效果较好，操作简单，以废治废，成本低廉，具有良好的工程应用价值。

(2)吸附时间对Cr(VI)吸附过程影响较小，30.00 mg/LCr(Ⅵ)经过60 min基本达到吸附平衡，吸附过程较快。滤料投加量对Cr(Ⅵ)去除效果影响较大，在粉煤灰基质滤料投加量为700 g/L﹑控制温度为35℃，振荡时间为60 min的吸附条件下，粉煤灰基质滤料对初始浓度为30.00mg/L Cr(Ⅵ)的去除率能达到85.25%以上。

(3)Cr(Ⅵ)初始浓度对吸附过程影响较大。当Cr(Ⅵ)的初始浓度在低浓度范围 (1～6 mg/L)时，吸附率和单位吸附量随初始浓度提高而提高;Cr(Ⅵ)的初始浓度在较高浓度范围 (10～60 mg/L)时，随着Cr(Ⅵ)初始浓度的增加，去除率下降，单位吸附量却大大提高。将吸附过低浓度Cr(Ⅵ)的滤料用来吸附高浓度Cr(Ⅵ)可提高滤料的单位吸附量和利用率。

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