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花生油饼对Cr(VI)的吸附研究

2018-05-28胡巧开余中山

上海化工 2018年3期
关键词:花生油等温吸附剂

胡巧开 余中山

湖北师范大学城市与环境学院 (湖北黄石 435002)

染料、冶炼、医药、电镀、化工等行业废水的排放,会使水体中重金属含量急速上升,从而导致水体日益恶化,严重威胁人类和其他生物的生存[1-2]。

在重金属元素中,铬对环境和人类的危害更大。随着含铬废水的排放量日益增大,含铬废水的治理技术不断被开发。目前国内外含铬废水的处理方法有十余种,主要有化学沉淀、氧化还原处理、膜分离技术、离子交换处理法、蒸发浓缩法、生物处理技术、吸附法等[3]。传统的吸附处理方法包括活性炭吸附法、离子交换法等,但存在吸附剂价格昂贵、使用寿命短,树脂易污染等缺点[4-5]。因此研究和开发利用经济性强、吸附性能好的吸附剂处理含重金属废水的方法具有举足轻重的作用。翟建平等[6]利用废弃物木屑和花生壳作为吸附剂,研究了其吸附去除溶液中Cr(VI)的试验,确定了相应的平衡吸附率并探究了吸附剂对铬的吸附机理。与传统方法相比,生物质吸附剂颗粒具有较大的比表面积和很强的吸附性[7]。

目前,众多廉价的生物质被用来去除废水中的重金属离子,并且取得了不错的效果。在吸附过程中,由于各种因素的共同作用,特定生物吸附剂表现出不同的表面特征,如螯合、络合、离子交换等化学吸附和物理吸附性能[8]。花生饼粕是以脱壳花生米为原料,经压榨或浸出提取花生油后的副产物[9-10]。我国每年的花生总产量和花生油总产量庞大,但目前花生油饼粕还没有得到有效的综合利用。本文探讨了花生油饼对Cr(VI)的吸附性能,以期为花生油饼粕资源化利用提供一种新途经,同时也为含重金属废水的处理提供一种新的生物吸附材料。

1 试验部分

1.1 试验材料、试剂及仪器

1.1.1 试剂和材料

丙酮、硫酸、磷酸、二苯碳酰二肼、氢氧化钠,分析纯;重铬酸钾,优级纯:天津市科密欧化学试剂有限公司。花生油饼,黄石某花生油厂;含铬模拟废水,自配。

1.1.2 主要仪器设备

SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵,巩义市予华仪器有限责任公司;JJ-4六联同步电动搅拌器,金坛市中大仪器厂;722N可见光分光光度计,上海仪电分析仪器有限公司;BS224-S电子天平,北京赛多利斯仪器系统有限公司;SKG-02电热恒温干燥箱,黄石市恒丰医疗器械有限公司。

1.2 分析方法

废水中Cr(VI)的测定采用二苯碳酰二肼分光光度法。Cr(VI)去除率(φ)的计算公式:

其中:ρ1—吸附前模拟废水中Cr(VI)的质量浓度;

ρ2—吸附后模拟废水中Cr(VI)的质量浓度。

1.3 花生油饼的处理

取一定量的花生油饼,用自来水清洗数次,再用去离子水洗涤数次以去除表面灰尘,于105℃下烘干,然后研磨、过筛(尼龙筛),筛分出不同目数的花生油饼备用。

1.4 吸附试验方法

在100 mL一定质量浓度的Cr(VI)模拟废水中加入一定量的花生油饼,在一定搅拌速率、温度、溶液pH条件下吸附一定时间,将吸附后的溶液进行抽滤,测定滤液吸光度,计算剩余Cr(VI)质量浓度及Cr(VI)去除率。

2 结果与讨论

2.1 花生油饼对Cr(VI)的吸附性能探究

2.1.1 花生油饼粒径对吸附性能的影响

在5份100 mL Cr(VI)初始质量浓度均为20 mg/L的模拟废水中,分别加入0.3 g不同粒径的花生油饼,在室温(20℃)、pH=6.0及搅拌速率为180 r/min的条件下,吸附处理30 min,然后进行抽滤,测定滤液中Cr(VI)的质量浓度,计算去除率,其结果如图1所示。

图1 花生油饼粒径对去除率的影响

由图1可知,花生油饼粒径在18~65目之间时,Cr(VI)去除率随花生油饼粒径的增大而增大;当花生油饼粒径为65~90目时,Cr(VI)去除率随粒径增大而降低。当花生油饼的粒径过小时,可能因为粒径过小或者存在脱附现象等因素,导致对Cr(VI)去除的效果并不理想;粒径过大时,比表面积减小,使去除率降低。在实验范围内,65目的花生油饼对Cr(VI)的去除率最高,是最佳的粒径选择。

2.1.2 搅拌速率对吸附性能的影响

在室温、pH=6及Cr(VI)质量浓度为20 mg/L的100 mL模拟废水中加入0.3 g粒径为 65目的花生油饼,分别在不同搅拌速率下吸附处理30 min,抽滤后测定滤液中Cr(VI)的质量浓度,计算去除率,其结果见图2。

图2 搅拌速率对去除率的影响

由图2可知,当搅拌速率在90~240 r/min之间时,去除率随搅拌速率的增加而增大。当搅拌速率为240 r/min时,去除率达到峰值(54.5%)。搅拌速率高于240 r/min后,去除率开始减小,其原因可能是搅拌速率太大时,脱附速率大于吸附速率。

2.1.3 Cr(VI)的初始质量浓度对吸附性能的影响

在室温、pH=6及搅拌速率为240 r/min的条件下,将0.3 g粒径为65目的花生油饼放入5份不同质量浓度的100 mL模拟废水中,振荡吸附30 min后抽滤,测定滤液中Cr(VI)的质量浓度,计算去除率,其结果见图3。

图3 铬初始质量浓度对去除率的影响

由图3可知,当Cr(VI)的质量浓度在5~20 mg/L之间时,去除率随质量浓度的增加而增加。Cr(VI)的质量浓度在20~25 mg/L之间时,其去除率减少。在Cr(VI)的质量浓度为20 mg/L时,去除率最大,为62.28%。在其他吸附条件一定的情况下,一定质量的吸附剂对吸附质达到吸附饱和后,再增大吸附质质量浓度,其去除率就会减小。

2.1.4 吸附时间对吸附性能的影响

将0.3 g粒径为65目的花生油饼加入Cr(VI)质量浓度为20 mg/L的溶液中,在室温、pH=6及搅拌速率为240 r/min的条件下,吸附处理不同时间后进行抽滤,测定滤液中Cr(VI)的质量浓度,计算去除率,其结果见图4。

图4 吸附时间对去除率的影响

由图4可知,当其他因素一定时,随着吸附时间的延长,Cr(VI)去除率不断增大,但90 min后变化幅度变窄。吸附90 min时,去除率约为67%,吸附120 min时去除率为68%,说明90 min时基本达到吸附平衡。综合考虑成本等,以90 min为后续单因素实验的条件。

2.1.5 花生油饼投加量对吸附性能的影响

在100 mL Cr(VI)初始质量浓度为20 mg/L的废水中,分别加入不同质量的花生油饼(65目),在室温、pH=6及搅拌速率为240 r/min的条件下吸附90 min后进行抽滤,测定滤液中Cr(VI)的质量浓度,计算去除率,结果见图5。由图5可知,去除率随花生油饼量的增加而逐渐增大。当吸附剂用量为1.0 g时去除率最大,达87%。可见,在本实验条件下,100 mL废水中花生油饼的最佳投加量为1.0 g,即花生油饼的最佳用量为0.01 g/mL。

2.1.6 溶液pH对吸附性能的影响

将1.0 g粒径为65目的花生油饼加入Cr(VI)质量浓度为20 mg/L且pH各不相同的100 mL模拟废水中,在室温、搅拌速率为240 r/min的条件下吸附处理90 min后抽滤,测定滤液中Cr(VI)的质量浓度,计算去除率,结果见图6。

图5 花生油饼投加量对去除率的影响

图6 pH对去除率的影响

如图6所示, 随着pH的增大,去除率不断减小,pH=2.0时,去除率最高,达到89.6%。可见,溶液的pH是一个十分重要的影响因素。当溶液pH较小时,Cr(VI)主要以的形式存在,有利于吸附;花生油饼表面吸附中心的数目也与溶液pH有关。因此,酸性条件更有利于Cr(VI)的吸附。

2.2 正交试验

在单因素实验的基础上,选取吸附时间、溶液pH、吸附剂用量和Cr(VI)质量浓度4个主要影响因素,每个因素选取3个水平,按L9(34)正交表设计正交试验,结果如表1及表2所示。

(1)由表2中的极差R可知,4个因素的影响顺序为:B(溶液pH)>A(吸附时间)>C(吸附剂用量)>D[Cr(VI)质量浓度],可见,在花生油饼吸附Cr(VI)过程中,控制pH至关重要;

(2)表2表明,花生油饼吸附Cr(VI)的最佳工艺条件为A3B2C2D1,即:吸附时间为120 min,溶液pH为2.0、花生油饼用量为0.01 g/mL、Cr(VI)质量浓度为15 mg/L。

2.3 验证试验

采用A3B2C2D1的组合,在室温下搅拌吸附120min后,经测定,花生油饼对Cr(VI)的去除率为97.0%,Cr(VI)的剩余质量浓度为0.45 mg/L,小于GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的限定值。

表1 正交试验设置表

2.4 花生油饼等温吸附模型研究

在室温下,pH=2.0,花生油饼用量为0.01 g/mL,吸附时间为120 min的条件下,分别处理Cr(VI)的质量浓度为 10,15,20,25,30 mg/L的模拟废水,测定其吸附平衡质量浓度(Ce)并计算平衡吸附量(Qe),结果如表3所示。在此基础上,分别作出朗格缪尔(Langmuir)等温吸附模型和弗罗因德利希(Freundlich)等温吸附模型,如图7和图8所示。

表2 正交试验表

由弗罗因德利希吸附方程Qe=KFCe1/n可推算出:lnQe=lnKF+1/n lnCe;1/n表明吸附剂的吸附强度,n越大,吸附性能越好。一般认为:n=2~10时,属于容易吸附;n<0.5时,难以吸附;n>1时,属于优惠吸附。

两种吸附等温式方程的相关系数R2说明花生油饼对Cr(VI)的吸附与两种吸附等温式方程均能一般拟合。因弗罗因德利希吸附等温方程的R2值高于朗格缪尔等温吸附方程,说明花生油饼对Cr(VI)的吸附用弗罗因德利希吸附等温方程拟合更佳,即该吸附过程主要为多层吸附。

在弗罗因德利希等温式中,参数n=1.183,表明花生油饼对Cr(VI)的吸附容易发生且是一个优惠吸附过程。

表3 平衡质量浓度与平衡吸附量mg/L

3 结论

图7 朗缪尔吸附等温式

图8 弗罗因德利希吸附等温式

(1)通过单因素实验探讨了花生油饼粒径、溶液pH、吸附剂用量、Cr(VI)初始质量浓度、吸附时间、搅拌速率等因素对花生油饼吸附性能的影响。实验所得的适宜单因素条件为:花生油饼粒径为65目、溶液pH=2.0、花生油饼用量为0.01 g/mL、Cr(VI)初始质量浓度为20 mg/L、搅拌速率为240 r/min、吸附时间为90 min。

(2)在单因素实验基础上,利用正交试验探究了影响花生油饼吸附Cr(VI)的主要因素及最佳吸附条件。各因素的影响顺序为:溶液pH>吸附时间>吸附剂用量>Cr(VI)初始质量浓度;最佳吸附工艺条件为:溶液pH=2.0,Cr(VI)初始质量浓度为15 mg/L的100 mL模拟废水中,投加花生油饼1.0 g,吸附120 min。在该条件下,花生油饼对Cr(VI)的去除率为97.0%,Cr(VI)的剩余质量浓度为0.45 mg/L,低于GB 8978—1996中第一类污染物排放限定值。

(3)花生油饼对Cr(VI)的吸附以弗罗因德利希吸附等温方程拟合更好,说明该吸附过程主要是多层吸附,容易发生且是一个优惠吸附过程。

参考文献:

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[2]崔志新,任庆凯,艾胜书,等.重金属废水处理及回收的研究进展[J].环境科学与技术,2010,33(12):375-377.

[3]韦玉青.络合-超滤技术处理含铜、锌、镒重金属废水的研究[D].长沙:中南大学,2012:7-9.

[4]胡洪营,赵文玉,吴乾元,等.工业废水污染治理途径与技术研究发展需求[J].环境科学研究,2010,23(7):861-868.[5]王彩冬.生物吸附剂处理含Cr(VI)废水的基础研究[D].昆明:昆明理工大学,2007:23-27.

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[9]王雅静,戴惠新.生物吸附法分离废水中重金属离子的研究进展[J].冶金分析,2006,26(1):40-45.

[10]邹继颖,刘辉.生物吸附剂对重金属Cr(VI)吸附性能的研究[J].环境工程,2014,3(4):64-67.

收稿日期:2018年1月

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