低溫竹炭對Cr（VI）吸附性能的研究

范國榮，黃 敏，王宗德，楊光耀，方 楷

（江西農業大學 江西省竹子種質資源與利用重點實驗室，江西 南昌 330045）

電鍍、石化和制藥是當今全球的三大污染工業。據不完全統計，我國每年排出的電鍍廢水約40億m3。在電鍍廢水中，含有大量金屬離子，如不經處理直接排放，將嚴重污染人類賴以生存的環境，特別是含Cr（VI）廢水，由于難降解性、高毒性和高致癌性，其有效治理引起人們廣泛關注[1]。六價鉻很容易被人體吸收，它可通過消化道、呼吸道、皮膚及粘膜侵入人體。人體通過呼吸空氣中含有不同濃度的鉻酸酐時有不同程度的沙啞、鼻粘膜萎縮，嚴重時還可使鼻中隔穿孔和支氣管擴張等；經消化道侵入時可引起嘔吐、腹疼。

對含Cr（VI）廢水的處理方法主要有生物法、還原中和、離子交換法、化學還原法、電解法、化學沉淀法、電滲析法和吸附法等，其中吸附法因工藝簡單、成本較低、操作方便、處理效果好而頗受重視，尤其適于低濃度含鉻廢水的處理，有著廣泛的應用。吸附法中以活性炭對Cr（VI）吸附的研究比較多[2～5]，但用一般的活性炭吸附處理Cr（VI）成本較高，因此尋找成本較低而對Cr（VI）有較好吸附的新的吸附劑有一定意義。竹炭是一種新型的吸附劑，可用于對氣體的吸附和廢水的凈化[6～8]。李巧玲等選用福州黑金剛炭業有限公司提供的經過近1 000℃高溫煅燒的毛竹竹炭，竹炭對Cr（VI）吸附的飽和吸附量達到46.1 mg/g[9]。從張啟偉，王桂仙等的研究可知，使用不同品種的竹材在不同燒制工藝和粉碎工藝獲得的竹炭，對金屬的吸附能力不同[10～11]。但低溫竹炭對廢水中Cr（VI）的吸附凈化鮮有報道。

本文通過對經低溫竹炭吸附后水中殘余Cr（VI）離子的濃度測定，研究低溫竹炭對Cr（VI）離子的吸附效果，探索低溫竹炭作為一種新型吸附材料直接用于工業廢水吸附Cr（VI）離子的可行性，考察了吸附條件對吸附的影響，為低溫竹炭用于水質處理提供一定的科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器、試劑與原料

數顯鼓風干燥箱（GZX-9140 MBE，上海博迅實業有限公司醫療設備廠）；電子天平（YP1201N，上海精密科學儀器有限公司）；箱式電阻爐（SX-2.5-10，天津市泰斯特儀器有限公司）；微型高速萬能試樣粉碎機（FW80，天津市泰斯特儀器有限公司）；可見分光光度計（722N，上海精密科學儀器有限公司）；循環水真空泵（SHZ-IIID，上海亞榮生化儀器廠）。

丙酮（分析純）；硫酸（分析純）；重鉻酸鉀（分析純）；二苯碳酰二肼（分析純）。

實驗材料為2007年10月采集于江西馬頭山自然保護區的5年生毛竹（Phyllostachys heterocyclacv.pubescens），放在實驗室內氣干待用。

1.2 制備竹炭

將完整的竹子剖成尺寸為（35 ～ 55）mm×（10 ～ 15）mm×（5 ～ 10）mm的試樣，洗凈，置于鼓風干燥箱中于105℃下干燥 24 h，然后放入干燥器中冷卻至常溫后，再置于坩堝，將坩堝放入箱式電爐中，調溫至 550℃，炭化120 min，自然冷卻至常溫后取出，用高速萬能粉碎機粉碎，過篩，分類收集（40 ～ 60目、60 ～ 80目、80 ～ 100目），貯于密封袋中備用。

1.3 竹炭對Cr（VI）的吸附率測定

分別稱取一定量的低溫竹炭于150 mL錐形瓶中，添加100 mL一定濃度的Cr（VI）離子溶液，靜置至吸附平衡后，過濾。取適量濾液，采用二苯碳酰二肼分光光度法測定殘余Cr（VI）離子的含量[12]。并按下式計算Cr（VI）離子吸附率：

式中：C0為Cr（VI）離子初始濃度（mg/L），C為Cr（VI）離子經吸附后殘余濃度（mg/L）。

1.4 正交試驗設計

表1 正交實驗的因素與水平Table1 Factors and levels of orthogonal experiment

本實驗采用正交實驗，選用了其中 4個因素：因素A為竹炭粒度，因素B為吸附時間，因素C為Cr溶液初始濃度，因素D為竹炭用量，每個因素設3個水平，選用L9（34）表（表1）。

2 結果與討論

2.1 正交實驗的結果與極差分析

在竹炭吸附重金屬Cr（VI）離子的過程中，竹炭的吸附受到各種因素的影響。本研究通過對不同竹炭的粒度與用量，以及Cr（VI）溶液初始濃度和吸附時間，來測定不同條件下竹炭對重金屬Cr（VI）的吸附率。其正交試驗方案及結果見表2。

由極差分析可知，4個因素對低溫竹炭對重金屬Cr（VI）吸附的影響大小是C > A > B > D，其中吸附質初始濃度是主要因素，竹炭粒度和吸附時間是居中因素，竹炭用量是次要因素。低溫竹炭對重金屬Cr(VI)吸附的最佳方案是A3B2C3D2，即吸附最佳條件為80 ～ 100目的竹炭粒度、120 min的吸附時間、10 mg/L的Cr溶液初始濃度以及0.9 mg的竹炭。

2.2 影響因素的方差分析

表3為各因素對重金屬Cr（VI）吸附率影響的方差分析。

由表3可以看出，重金屬Cr（VI）的吸附率的4個影響因素中，Cr溶液初始濃度因素的均方比大于F0.05(2.2) = 19.0，為顯著因素，竹炭粒度和吸附時間及竹炭用量的影響不顯著。

表2 L9（34）正交實驗的結果和分析Table2 The result and the analysis of L9(34) orthogonal experiment

表3 方差分析Table3 Variance analysis

2.3 C因素各水平均值多重比較

由dfe= 2和k = 2，3，查得SSR值并計算出LSR值（見表4）

表4 SSR值與LSR值Table4 SSR value and LSR value

C因素各水平均值多重比較見表5。

表5 C因素各水平均值多重比較表（SSR法）Table5 Mean values’ multiple comparison of each level of factor C%

由表5得出：C因素（Cr溶液初始濃度）中C3、C2水平與C1水平差異顯著，C3水平與C2水平之間差異不明顯。根據平均值，C3吸附的效果最好，即10 mg/L。

3 結論

綜合低溫竹炭對Cr（VI）離子吸附率數據的極差分析、方差分析和多重比較可以得出：竹炭粒度、吸附時間、Cr濃液初始濃度和竹炭用量4個因子對于低溫竹炭對重金屬Cr（VI）的吸附影響大小為C > A > B > D，其中吸附質初始濃度是主要因素，竹炭粒度和吸附時間是居中因素，竹炭用量是次要因素。Cr溶液初始濃度因素的均方比大于F0.05(2.2) = 19.0，為顯著因素，竹炭粒度、吸附時間及竹炭用量的影響則不明顯。C3、C2水平與C1水平差異顯著，C3水平與C2水平之間差異不明顯。

低溫竹炭對重金屬鉻Cr（VI）吸附的最佳方案是A3B2C3D2，即吸附最佳條件是竹炭粒度80 ～ 100目，吸附時間120 min，Cr溶液初始濃度10 mg/L，竹炭用量0.9 mg。

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