化学絮凝-活性炭吸附法在处理含重金属废水中的应用

摘 """""要：含重金属元素的废水是一种难以处理且对环境污染程度较高的工业废水。以含有Fe、Co、Mn、Ag等重金属离子的模拟废水为研究对象，采用先添加絮凝剂化学絮凝，再通过活性炭过滤的方法进行处理，并研究了活性炭种类、pH值、硼酸含量对模拟废水中重金属元素去除效率的影响。实验结果表明活性炭颗粒越细、碘值越低对重金属的去除效果越好；该絮凝剂可以在较宽pH值范围内和较高浓度硼酸存在下使用。化学絮凝+活性炭吸附过滤法对于含重金属元素工业废水的处理是一种既经济又高效的方法。

关 "键 "词：絮凝剂； 活性炭； 吸附； 重金属； 废水

中图分类号：TQ085"""""文献标志码： A """"文章编号： 1004-0935（2024）07-1031-04

工业生产排出的废水中常含有重金属元素，该类废水如果处理不当，会对环境和人类造成严重的危害^[1-3]。处理含有重金属废水的方法有很多，如吸附法、生物絮凝法、化学絮凝法、离子交换法、电化学法等^[4-10]。这些常用方法对于废水中的重金属离子通常具有较好的处理效果。但是由于重金属离子的水解作用，以及废水中颗粒物或胶体的吸附作用，导致废水中大部分重金属以胶粒形式存在。对于此胶体状态的重金属，上述方法通常去除效果较差。如果在含有重金属胶体的废水中添加复合型絮凝剂，则可以将废水中的胶体絮凝沉淀^[11-14]，再经过活性炭的吸附过滤，则可以达到重金属元素的高效去除。本文主要选用聚合氧化铝铁-聚丙烯酰胺无机有机复合型絮凝剂，对不同浓度模拟废水中的Fe、Co、Mn、Ag四种元素的去除效果进行研究，讨论不同活性炭种类对吸附过滤实验的影响，并探索模拟废水的pH对四种金属元素的成胶状态以及去除能力的影响。

1 "实验部分

1.1 "模拟废水的配制

用分析天平按目标溶液浓度及体积计算称取对应质量的AgNO₃、Fe（NO₃）₃··9H₂O、Co（NO₃）₂··6H₂O和MnSO₄··H₂O，溶解于去离子水中，在机械搅拌下逐滴加入质量浓度为0.2 mol·L^-1的NaOH溶液调节模拟废水的pH分别为7.0、8.0、9.0、10.0。将离子质量浓度为1◊10^-5"kg·L^-1的模拟废水标记为10^-5数量级，其中10^-7数量级的模拟废水中Fe、Co、Mn、Ag四种金属的目标质量浓度分别为0.7、0.9、0.3、0.5 mg·L^-1，10^-5、10^-6、10^-8和10^-9数量级模拟废水中各金属浓度以此类推。实验中所用化学药品均为分析纯。

对模拟废水进行胶体状态探索，将每次配制的原水经过孔径为0.1 μm的滤膜过滤，测试滤膜出水的浓度，并通过下式计算原水的成胶率：

成胶率％＝原水中离子浓度－滤后出水离子浓度／原水中离子浓度×１００％

1.2 "实验方法

活性炭过滤实验中的装填柱子内径为2.5 cm，活性炭装填高度为5 cm，为防止活性炭泄漏，在柱底和活性炭顶塞入脱脂棉，并使活性炭紧密堆积。

实验采用聚合氧化铝铁-聚丙烯酰胺复合型絮凝剂，将所需浓度的絮凝剂加入模拟废水中，边滴加边机械搅拌使絮凝剂和模拟废水混合，搅拌速度为500 r·/min^-1，搅拌时间为15 s，后倒入活性炭柱中经活性炭吸附过滤，取滤后的出水进行测试，并计算各元素的去除因子DF，用于评价絮凝剂的絮凝效果。其中去除因子计算方式如下：

DF＝模拟废水元素浓度/处理后出水元素浓度×100％

DF值越大，表示絮凝剂对废水中重金属元素的去除能力越强。

1.3 "分析测试方法

采用AVIO 500型电感耦合等离子体发射光谱仪（美国珀金埃尔默公司）测试所有的金属元素浓度，并且所有样品在浓度测试前均进行消解处理；采用Nex ION 300D型电感耦合等离子体质谱仪（美国珀金埃尔默公司）检测低浓度的原水及经絮凝过滤后的出水中各金属元素的质量浓度。模拟废水的ζ电位、电导率及胶体粒径均由Nanozs90型纳米粒度及Zeta电位分析仪（英国马尔文公司）测得。采用激光束从烧杯侧面照射配制的模拟废水测试丁达尔效应。将模拟废水经过11"000 rad·min^-1高速离心得到固态胶粒，通过QUANTA 450型环境扫描电子显微镜（美国FEI公司）观察胶粒形貌，通过能量散射X射线光谱分析仪（牛津公司）获得胶粒中的元素能量分布；模拟废水的pH由FiveEasy Plus型pH计（梅特勒公司）测定。

2 "实验结果与讨论

2.1 "模拟废水的表征结果

如图1所示在10^-7、10^-8和10^-9数量级模拟废水中均能看到明显的丁达尔现象，说明模拟废水是呈胶体状态的。

从表1可以看出，模拟废水中的胶粒平均直径在132.1 nm左右。10^-7数量级模拟废水通过高速离心后分离出胶粒，其胶粒的SEM图像及Mn、Fe、Ag、Co元素mapping图像如图2所示，可以看出胶粒大小很均匀，并且四种元素分布也很均匀。

2.2 "模拟废水的pH值影响

从图3a可以看出，对于10^-7数量级模拟废水，即使在pH值为7的情况下，Fe元素都可以100%成胶，但是Co元素完全没有形成胶体；随着pH增大到10，Co的成胶率可以达到99.17%，但是Mn和Ag元素的成胶率基本维持在31%和36%。

在不同pH值的模拟废水中分别加入20 mg·/L^-1的絮凝剂，各元素的去除效果如图3b所示。可以看出，随着模拟废水pH值的增大，只有pH值为9时，Ag元素的DF值有所降低，但是仍有83.33%，能达到较好地去除效果。说明该絮凝剂可以在较宽的pH范围内适用。

2.3 "活性炭的筛选

本文选取四种不同种类活性炭进行研究，活性炭种类及对模拟废水的去除效果如表2和图4所示。

对比活性炭A、B或者C、D可知，活性炭颗粒越细截留越多，"对重金属元素的去除效果越好；对比A、C或者B、D可知，碘值越小，即吸附能力相对弱一些的，效果越好。对Fe元素的处理效果只有B能达到要求，并且活性炭B对其他三种元素也表现出较好的去除能力，故采用B活性炭进行后续研究。

2.4 "硼酸浓度的影响

为了考察该方法的适用性，探究处理含硼酸废水中硼酸质量浓度对去除效果的影响，在10^-7数量级模拟废水中分别加入质量浓度为100、1"000、2"000 mg·L^-1的硼酸，随后使用20 mg·L^-1的絮凝剂进行絮凝处理。实验结果如图5所示。

即使在2"000 mg·L^-1高浓度的硼酸存在下，Fe、Co、Mn三种元素的去除效果基本没有影响，但是Ag元素的DF随着硼酸浓度的加大而降低。

2.5 "不同浓度模拟废水的处理

进一步研究该化学絮凝-活性炭吸附法对不同浓度模拟废水的处理效果，测试了10^-5、10^-6、10^-7、10^-8以及10^-9五种浓度模拟废水。浓度为10^-5、10^-6、10^-7的模拟废水以及处理后出水中各金属元素的浓度通过ICP-OES测试，10^-8、10^-9的模拟废水以及处理后出水中各金属元素的浓度通过ICP-MS进行测试，测试结果如表3所示。

从表3可以看出，即使加大模拟废水中金属元素的浓度至10^-5、10^-6数量级，该方法对四种元素的去除效率仍然很高。在10^-9数量级超低浓度下，只有Mn元素的去除能力有所下降，说明该化学絮凝-活性炭过滤的方法对于重金属元素的浓度范围适用较广。

3""结 论

1）实验通过配制含有Fe、Co、Mn、Ag四种重金属元素的模拟废水，添加有机-无机复合型絮凝剂进行化学絮凝，处理后结合活性炭吸附过滤。实验结果表明活性炭颗粒越细、碘值越低对重金属的去除效果越好； pH升高显著提升Co元素的成胶率，加入絮凝剂后，pH对四种元素的DF值影响不大，说明该絮凝剂可以在较宽pH值范围内使用。

2）用该方法含硼酸废水，不同浓度的硼酸溶液对Fe、Co、Ni的去除效果没有影响，而高浓度硼酸会降低Ag元素的去除效果。

3）对不同浓度模拟废水的处理结果表明该方法可以在10^-5-10^-9数量级较宽的范围下适用，并且高浓度硼酸的加入对重金属元素的去除效果没有明显的减弱，表明该化学絮凝+活性炭吸附过滤法对于含重金属元素工业废水的处理是一种既经济又高效的方法。

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Application of Chemical Flocculation Activated Carbon Adsorption

Method in the Treatment of Wastewater Containing Heavy Metals

XU Qiang SUN Xue-yan""FENG Shi Shi ZHOU Yu-meng TAO Sheng-yang

（1a."Instrumental Analysis Center，"Dalian University of Technology，"Liaoning Dalian 116024，China；;

2"b. School of Chemistry， Dalian University of Technology， Dalian"Liaoning Dalian 116024，，"China）

Abstract：""Heavy metal-containing wastewater is a type of industrial effluent that is difficult to manage treat and causes significant environmental contamination. The approach of introducing flocculants for chemical flocculation and then filtering via activated carbon was utilized to treat simulated wastewater containing heavy metal ions such as Fe， Co， Mn， Ag， and others. The effects of activated carbon types and pH values on heavy metal element removal efficiency in simulated wastewater were investigated. The experimental results showed"that the finer the activated carbon particles and the lower the iodine value， the better the heavy metal removal impacteffect; this flocculant may be employed used throughout a wide pH range and in the presence of high boric acid concentrations. The chemical flocculation and activated carbon adsorption filtration method is a cost-effective and efficient approach for treating heavy metal-containing industrial wastewater.

Key words：""Flocculation; "Activated carbon; "Adsorption; "Heavy metals; "Wastewater