生物吸附剂对实验室废水中Cr(Ⅵ)的吸附条件研究*

曹栩菡，黄小军，张华芳，李 霞

(1 四川化工职业技术学院，四川 泸州 646000；2 四川国检检测有限责任公司，四川 泸州 646000；3 泸州北方化学工业有限公司，四川 泸州 646000 )

近年来，我国高等学校招生比例大幅增加，随着在校生人数的不断增多以及科技创新能力的不断提高，高校实验室的教学、科研活动愈加频繁，随之而来的便是实验废水的急剧增加，其中包括很多危险、有毒的化学物质[1]。目前，大部分高等院校实验室没有污染治理设施，只是采取了简单的直排或是稀释措施，有毒有害废液要请专业公司处理，费用较高。绝大多数高校实验废水都是未经达标处理便直接排放，给后续处理工作带来诸多不便，甚至造成水体水质严重污染。现今我国已经将高校实验室纳入了环境监管范围。鉴于上述原因，必须尽快加强对高校实验室废水污染的防治及处理，力求做到使其能够零污染排放，并尽量能做到内部处理，节省开支[2]。

高校实验室废水主要来自各实验室。根据废水中所含主要污染物的性质和特点，可将其分为有机、无机以及生物实验废水三大类。其中无机废水主要含有重金属、重金属络合物、碱、氰化物、硫化物、卤素离子以及其他无机离子等。含重金属废水进入水体对动物植物和环境都会造成严重的危害，研究发现生物吸附重金属是最有前途的方法之一，它不仅原材料来源丰富、品种多、成本低，而且具有速度快、吸附量大、选择性好等优点[3]。尤其在处理低于100 mg/L的重金属废水时特别有效。本文选用原料来源广泛的花生壳[4]和甘蔗渣[5]作为吸附剂，讨论了原料粒径大小、吸附时间、温度、初始溶液pH值、加入量、振荡速率对实验室废水中铬离子吸附效率的影响。

1 实 验

1.1 仪器与试剂

重铬酸钾，氢氧化钠，硝酸，磷酸，二苯碳酰二肼，成都市科隆化学品有限公司；丙酮、硫酸，四川西陇化工有限公司；实验室含Cr(Ⅵ)废水。

ZN-1000微型粉碎机；SHZ-82气浴恒温振荡器；PHS-3C+酸度计；UV-1800PC-DS2紫外可见分光光度计；SHZ-D循环水式真空泵；TG-16离心机。

1.2 吸附剂的准备

甘蔗渣与花生壳购于市场，甘蔗渣用流动自来水浸泡48 h，再用去离子水浸泡24 h，置烘箱70 ℃下烘干，冷却至室温后粉碎过筛；花生壳洗净烘干后用去离子水浸泡24 h，置烘箱80 ℃下烘干，冷却至室温后粉碎过筛，分瓶装好，干燥储存。

1.3 吸附实验

定量加入已知浓度的Cr(Ⅵ)溶液(30.13 mg/L)100 mL、一定量的甘蔗渣吸附剂、花生壳吸附剂分别放入碘量瓶中，然后将碘量瓶置于恒温振荡器中振荡后取出，过滤后采用紫外可见分光光度法测定溶液中Cr(Ⅵ)含量。研究吸附剂粒径大小、溶液pH、吸附时间、吸附剂投加量、转速、温度等因素对吸附Cr(Ⅵ)性能的影响。

以吸附率衡量吸附材料的吸附性能。吸附率计算公式为：

式中：η为吸附效率；c1为吸附前Cr6+浓度，mg/L；c2为吸附后Cr6+浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 吸附剂粒径大小对吸附性能的影响

分别称取过40、60、80、100、120目的甘蔗渣0.8 g和花生壳1.0 g于装有100 mL Cr(Ⅵ)(30.13 mg/L)溶液的碘量瓶中，放入恒温振荡器(25 ℃)，转速为200 rpm，振荡5 h，吸附完成后取出过滤、离心，测定滤液中剩余的Cr(Ⅵ)浓度。

图1 吸附剂粒径大小对吸附率的影响

由图1可知，在溶液浓度、pH、振荡速度、温度、吸附时间相同，通过改变生物吸附剂粒径大小，对吸附后溶液中Cr(Ⅵ)含量测定，得出花生壳在120目时的吸附效果好，可达96.24%；甘蔗渣在80～120目吸附率大小基本趋于平稳，80目时的吸附率达到93.70%，因此甘蔗渣吸附率在粒径大小在80目时为最佳。

2.2 初始溶液pH对吸附性能的影响

分别称取过80目的甘蔗渣0.8 g和120目的花生壳1.0 g于装有100 mL Cr(Ⅵ)(30.13 mg/L)溶液的碘量瓶中，用0.1 mol/L HNO3溶液和0.1 mol/L NaOH溶液调节溶液的pH值为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0，放入恒温振荡器(25 ℃)，在转速为200 rpm下振荡5 h后取出过滤、离心，移取5.0 mL测定滤液中剩余的Cr(Ⅵ)浓度。

图2 溶液pH值对吸附率的影响

由图2可知，在溶液浓度、吸附剂粒径大小、振荡速度、温度、吸附时间相同，通过改变初始溶液pH值大小，在540 nm 测上清液中Cr(Ⅵ)含量，随着溶液pH的升高，花生壳和甘蔗渣对Cr(Ⅵ)的吸附率均成下降趋势。溶液初始pH=2.00时花生壳和甘蔗渣对Cr(Ⅵ)的吸附率分别为98.79%和96.51%。

2.3 吸附时间对吸附性能的影响

取Cr(Ⅵ) 溶液100 mL于14个碘量瓶中，调节pH为2.0，分别加入0.8 g甘蔗渣和1.0 g花生壳，转速200 rpm，在温度为25 ℃，振荡时间分别为5 min、30 min、60 min、120 min、180 min、240 min、300 min下进行吸附实验，到达吸附时间后取出溶液过滤、离心，测定上清液中剩余的Cr(Ⅵ)浓度。

图3 吸附时间对吸附率的影响

由图3可以看出：在原溶液浓度、pH、振荡速度、温度、粒径大小相同的条件下，前30 min甘蔗渣和花生壳对Cr(Ⅵ)的吸附速率急速增加，为吸附质被吸附剂吸附在内表面的过程(表面吸附过程)。但在30 min之后吸附率变化趋于平缓，这是吸附质扩散到吸附剂内部孔隙中的过程，导致吸附速率变慢[6]。甘蔗渣和花生壳对Cr(Ⅵ)吸附过程可以分为两个阶段，前30 min属于快速吸附阶段，30 min后为慢速吸附阶段。甘蔗渣的吸附率随着吸附时间的增多而逐渐变大，在吸附时间为300 min时吸附效果较好，可达96.22%，花生壳在吸附时间为180 min后吸附率增加到98.73%，之后吸附率趋于平稳不再增大，花生壳吸附最佳时间选择180 min。

2.4 生物吸附剂加入量对吸附性能的影响

取Cr(Ⅵ)溶液100 mL，调节pH为2.0，取花生壳(120目)加入量分别为0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g、2.5 g、3.0 g，恒温振荡时间180 min；甘蔗渣(80目)加入量分别为0.3 g、0.5 g、0.8 g、1.1 g、1.4 g、1.7 g，恒温振荡时间300 min，测定上清液中Cr(Ⅵ)浓度，计算吸附率。

图4 吸附剂加入量对吸附率的影响

由图4可知，当Cr(Ⅵ)浓度为30.13 mg/L时，随着吸附剂量逐渐增加，花生壳和甘蔗渣对Cr(Ⅵ)的吸附率呈上升趋势，但当花生壳加入量为1.0 g之后，对Cr(Ⅵ)吸附率的增加不再显著；甘蔗渣加入量在0.8 g之后对Cr(Ⅵ)吸附达到饱和状态，去除率也不再增加。从节省吸附材料和提高吸附去除率考虑，后续实验选用吸附剂用量分别为花生壳1.0 g，甘蔗渣0.8 g。并且从图4还可以看出，花生壳和甘蔗渣对Cr(Ⅵ)的吸附效果都较好，而花生壳的吸附去除效果要优于甘蔗渣，当花生壳用量为1.0 g时吸附率可达98.67%，甘蔗渣用量为0.8 g时，吸附率为96.85%。

2.5 振荡速率对吸附性能的影响

pH=2.0的Cr(Ⅵ)溶液中分别加入花生壳1.0 g、甘蔗渣0.8 g，振荡速率调为100、150、200、250、300 rpm，在25 ℃下分别振荡180 min和300 min，取出测定剩余的Cr(Ⅵ)浓度，算得吸附率。

图5 振荡速率对吸附率的影响

由图5可知，在不同的振荡速率下，花生壳对Cr(Ⅵ)的吸附于150 rpm时达到最佳，为98.20%，200 rpm时的吸附率基本相同，为98.01%，之后随着转速的增加，吸附率有少许降低；甘蔗渣对Cr(Ⅵ)的吸附于200 rpm时达到最佳，为96.31%，250 rpm时的吸附率基本相同，之后随着转速的增加，吸附率也呈降低趋势。后续的吸附实验，花生壳和甘蔗渣的恒温振荡速率分别选择150 rpm和200 rpm。

2.6 温度对吸附性能的影响

100 mL Cr(Ⅵ)溶液调pH为2.0，分别加入花生壳1.0 g (120目，振荡速率150 rpm)和甘蔗渣0.8 g (80目，振荡速率200 rpm)，温度调为20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃分别恒温振荡180 min和300 min，取出过滤、离心，测定溶液剩余的Cr(Ⅵ)浓度，计算吸附率。

图6 温度对吸附率的影响

通常可将吸附作用分为物理吸附和化学吸附，其中化学吸附需要一定的活化能，当溶液温度升高时，有利于化学吸附克服活化能的障碍，增强粒子内扩散速率，从而提高吸附去除率。由图6可以看出，在温度在为20～35 ℃范围内变化，花生壳和甘蔗渣对Cr(Ⅵ)的吸附率均呈上升趋势，花生壳和甘蔗渣吸附去除Cr(Ⅵ)的作用同时存在物理吸附和化学吸附作用。花生壳和甘蔗渣的最佳吸附温度均为35 ℃。

2.7 最优条件下对实验室含Cr(Ⅵ)废水的吸附实验

以某次学生测铁矿石中铁含量的实验废水为原液，测得原溶液Cr(Ⅵ)浓度为2.016 g/L，稀释100倍后浓度为20.16 mg/L，利用花生壳和甘蔗渣在最佳实验条件下进行吸附实验，并用分光光度计在540 nm下测定剩余Cr(Ⅵ)浓度，经甘蔗渣处理后的废水检出Cr(Ⅵ)含量为0.9878 mg/L，吸附去除率达95.10%；经花生壳处理后的废水检出含量为0.4999 mg/L，吸附去除率达97.52%。花生壳处理后的实验废水基本达到工业排放污水中对Cr(Ⅵ)排放要求(<0.5 mg/L[7])。生物吸附剂对实验室废液吸附效率略低于探究实验时，主要是因为废水中除Cr(Ⅵ)以外，还有Fe(Ⅲ)等离子存在，会影响对Cr(Ⅵ)的吸附效率。

3 结 论

分别采用花生壳和甘蔗渣作为吸附剂，探索了花生壳和甘蔗渣在不同实验条件下对Cr(Ⅵ)的吸附效率，实验结果表明最佳吸附条件为：甘蔗渣吸附剂过80目筛，投加量为0.8 g，吸附溶液初始pH为2.0，35 ℃时以200 rpm的速率振荡300 min，对实验室废水中Cr(Ⅵ)的吸附率可达95.10%；花生壳吸附剂过120目筛，投加量1.0 g，35 ℃时以150 rpm的速率振荡180 min，对实验室废水中Cr(Ⅵ)的吸附去除率高达97.52%。花生壳处理后的实验废水基本达到国家环境保护局颁布的污水综合排放标准中对Cr(Ⅵ)排放要求。