实验室含铬废水处理初步研究

曹旺祥，储倩莹，马 嫱，2

（1.厦门大学嘉庚学院；2.河口生态安全与环境健康福建省高校重点实验室，福建 漳州 363105）

重金属废水是指金属矿冶炼、电解、电镀、染料、机械加工和许多化工企业排出的含有大量重金属离子的工业废水，它对环境能产生巨大的危害，产生许多显而易见的环境污染，因此需要慎重对待。含铬废水毒性大，不经过科学处理就直接排放，会引起严重的水质污染，还会通过食物链使人出现重金属中毒等，影响人体健康[1-2]。所以，人们必须探究科学方法来处理实验室含铬废水。

大量含铬废水如果未经处理就直接排放，会远远超出生态环境的自净能力，导致其无法实现自然降解。因此，实验室必须有效处理含铬废水，使其达标排放。目前，重金属废水处理方法有：吸附法、离子交换法、化学沉淀法、电化学法、生物吸附法、膜分离法和电解法等[3]。

1 仪器与试剂

1.1 试验药品

氢氧化钠、硫酸亚铁、盐酸、磷酸、硫酸、重铬酸钾、二苯碳酰二肼、丙酮，以上试剂均为分析纯，配制溶液用水均为去离子水。

1.2 试剂

铬标准储备液1 g/L；模拟废水100 mg/L；磷酸（1+1）；硫酸（1+1）；显色剂；铬标准使用液1 mg/L。0.5 mol/L H2SO4；0.5 mol/L NaOH；10%的氢氧化钠溶液。

1.3 试验仪器

TAS-986型火焰原子吸收分光光度计、UItima IV型XRD射线衍射仪、AR1140型电子天平、托盘天平、DHG-9053A台式干燥箱、HJ-6A型恒温搅拌机。

1.4 试验工具

烧杯、锥形瓶、量筒、比色管、移液枪、移液管、玻璃棒、培养皿、研磨器、棕色瓶、洗耳球。

2 试验内容

本研究主要采用氧化还原法和化学沉淀法[4-5]。通过查阅文献、理论计算和预试验得知，影响含铬废水处理的试验条件有投加（Fe2+/Cr6+）比值、还原反应pH、共沉淀pH、还原反应时间t1、共沉淀时间。

2.1 标准曲线的绘制

使用移液管分别提取不同体积的铬标准使用液，利用二苯碳酰二肼分光光度法测定吸光度，把浓度转化为质量，绘制出六价铬的质量标准曲线，如图1所示。

图1 六价铬的质量标准曲线

如图1所示，以蒸馏水为参比的吸光度为0，试验时分别提取1 mL、2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL的铬标准使用液，通过计算转化，制作质量标准曲线。其中，R2=0.999 8，接近于1，即可用y=4.890 8x+0.000 2进行实验室含铬原废水的浓度转化计算。

2.2 投加（Fe2+/Cr6+）比值对废水去除率的影响

设置投加量中的（Fe2+/Cr6+）比值为1、2、3、4、5、6、7，其他条件都相同，投加比值对含铬废水去除率的影响如表1所示。

表1 投加比值对含铬废水去除率的影响

由表1可以看出，随着投加比值上升，铬的去除率显著增大，当投加比值大于6时，去除率超过99.63%，此时处理后的废水已经能够达标排放，再结合成本，将投加量中（Fe2+/Cr6+）的比例设置为6即为最佳。

2.3 还原反应pH对含铬废水去除率的影响

设置反应pH为1、2、3、4、5、6，进行试验，具体结果如表2所示。

表2 还原反应pH对含铬废水去除率的影响

与投加量相比，反应pH的去除率比较稳定，去除率均较高且变化幅度不大，当pH为1、2、3时，处理后的模拟废水才能达到排放标准。

2.4 共沉淀pH对含铬废水去除率的影响

设置共沉淀pH为7、8、9、10、11，进行含铬废水处理试验，具体结果如表3所示。

表3 共沉淀pH对含铬废水去除率的影响

共沉淀pH对含铬废水去除率的影响不大且铬的去除率很高，当pH为10、11时，含铬废水才能达标排放。综合成本因素，试验时需要把共沉淀pH控制在10左右。

2.5 还原反应时间对含铬废水去除率的影响

设置还原反应时间分别为0.5 min、1.0 min、1.5 min、2.0 min，然后进行试验，具体结果如表4所示。

表4 还原反应时间对含铬废水去除率的影响

控制反应时间进行试验，去除率都超过98.00%且影响不大，再次证明，只要投加比值足够大，含铬废水去除率都非常高。但是，要想按照国家标准排放，反应时间应控制在2 min，可达到最高去除率。

2.6 共沉淀时间对含铬废水去除率的影响

本试验把控制共沉淀时间作为变量，把条件设置为5 min、10 min、15 min、20 min，进行单因素试验，具体结果如表5所示。

表5 共沉淀时间对含铬废水去除率的影响

共沉淀时间分别设置为5 min、10 min、15 min、20 min时，去除率都高达99.63%，其对去除率的影响不大，都能够达标排放。但是，为了让反应更完全，共沉淀时间最好不低于10 min。

2.7 最佳条件对含铬原废水去除率的影响

通过模拟试验，笔者确定，处理含铬废水的最佳工艺条件为：投加（Fe2+/Cr6+）=6、还原反应pH=3、共沉淀pH=10、还原反应时间为2 min、共沉淀时间=10 min。利用这些最佳条件对实验室中的含铬原废水进行处理，利用Cr6+质量标准曲线测得实验室原废水的Cr6+浓度为731.99 mg/L，溶液pH小于1，因此不需要调节还原反应的pH。在控制共沉淀pH时，需要提高氢氧化钠的浓度来调节pH，此时选用浓度为10%的氢氧化钠溶液进行试验。经过试验处理后，Cr6+的去除率高达99.87%，证明该方法对Cr6+的处理能力非常强。该方法简易快捷，成本不高，不会造成二次污染，改善了废水水质。经过处理后，废水虽然没有达到国家相关排放标准，但是排放后不会严重污染周边水环境。同时，含铬废水体积减少、浓度降低，Cr6+沉淀后也实现了回收再利用，真正做到了减量化、无害化和资源化。

2.8 XRD沉淀物分析

本试验产生的沉淀物利用XRD射线衍射仪进行表征分析，具体结果如图2所示。

图2 沉淀物的表征分析

如图2所示，沉淀物表征为Na2SO4、NaFe（SO4）2、Cr2S3，其主要沉淀物为Na2SO4，另外含有少量的含铬含铁化合物。

3 试验结果讨论

3.1 模拟试验单因素试验结果分析

本次模拟试验以影响含铬废水处理的单因素投加（Fe2+/Cr6+）的比值、还原反应pH、共沉淀pH、还原反应时间、共沉淀时间为研究对象，从而确定最佳反应条件。表1～表5的数据表明，只有投加量的试验结果表明与含铬废水的去除率息息相关，如果硫酸亚铁的投加量不够，不管在什么条件下去除率都非常低，其他条件对去除率的变化波动不大。其他学者如卢烔元、段睿、杨俪等人都采用铁氧体法进行含铬废水处理试验，均运用Fe2+还原Cr6+再加NaOH的试验方法进行含铬废水处理[9-11]。沉淀物表征分析中，沉淀物为含铬铁氧体，除此之外，其他试验结果均与本次试验结果基本一致。

3.2 最佳工艺条件下对实验室含铬原废水去除率的影响分析

通过模拟实验得到最佳条件后，进行实验室含铬废水的处理，去除率达到99.87%。但是，实验室废水含有多种废液，化学成分不同，不一定完全是含铬废水，可能含有其他重金属离子和有机物。在利用火焰原子吸收分光光度计测定吸光度时，这可能造成吸光度偏大，但是影响不大，因为采用的二苯碳酰二肼分光光度法只能测铬的吸光度[12-13]。

4 结论

本文通过模拟试验分析了影响含铬废水处理的主要因素，包括投加（Fe2+/Cr6+）的比值、还原反应pH、共沉淀pH、还原反应时间和共沉淀时间，进而确定最佳反应条件，之后进行原废水处理、沉淀物分析和去除率计算。试验结果表明，投加（Fe2+/Cr6+）的比值对含铬废水处理影响最大；处理含铬废水的最佳条件为投加（Fe2+/Cr6+）=6、还原反应pH=3、共沉淀pH=10、还原反应时间为2 min、共沉淀时间=10 min；在最佳条件下，处理实验室含铬废水，不产生二次污染；实验室含铬废水经处理后反应生成的沉淀物大部分是硫酸钠，少部分为含铬含铁化合物。总体而言，本次利用铁氧体法处理实验室含铬废水，处理效果显著，铬的去除率高达99%，简单方便，成本不高，对环境没有造成二次污染，生成的沉淀物具有实际应用价值和推广价值，含铬含铁化合物可以用来制作电器元件和炼铁原料等，用途广泛。