ZSM-5沸石分子篩吸附模擬含鉻廢水的研究

（遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

天然水中很少含有鉻，但如電鍍、冶金、化工生產(chǎn)、火柴、制藥、照相、制革等工業(yè)生產(chǎn)，因大量使用含鉻化合物，造成了嚴(yán)重的土壤和水體污染。六價(jià)鉻能夠?qū)е掳┌Y，損害人體的腎臟、肝臟和胃等器官[1，2]。因此，如何有效治理含六價(jià)鉻的廢水，減少環(huán)境污染，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。吸附法經(jīng)常被用于去除水中的六價(jià)鉻[3～6],與傳統(tǒng)的吸附劑相比較，ZSM-5沸石分子篩孔容積和空隙率較大，具有較強(qiáng)的吸附能力。因此本文選用ZSM-5沸石分子篩作為吸附劑，研究其對(duì)水中六價(jià)鉻的吸附性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

正硅酸乙酯，四丙基氫氧化銨，偏鋁酸鈉，鉻酸鉀，氫氧化鈉，硫酸，均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。由常州華冠儀器制造有限公司生產(chǎn)的SHA-CA水浴恒溫振蕩器；由上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的UV757CRT721型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。

1.2 ZSM-5的合成與表征

用電子天平稱取0.29 g偏鋁酸鈉置于錐形瓶中，加入21 mL蒸餾水?dāng)嚢枞芙夂?，再加?5 mL四丙基氫氧化銨至透明，最后緩慢加入11.2 mL正硅酸乙酯，攪拌約5 h得一清液，將此清液轉(zhuǎn)入聚四氟一些反應(yīng)釜中于160℃水熱晶化140 h，晶化結(jié)束后將產(chǎn)物過(guò)濾、洗滌、干燥、550℃馬弗爐焙燒后，所得白色粉末即為ZSM-5。所得ZSM-5沸石分子篩的XRD譜圖如圖1所示，所得材料為典型的ZSM-5沸石分子篩圖譜。

圖1 ZSM-5沸石分子篩的XRD譜圖

1.3 吸附實(shí)驗(yàn)

將稱取的0.0500 g鉻酸鉀固體，用去離子水溶解，轉(zhuǎn)移至1000 mL容量瓶中，定容，此模擬廢水的質(zhì)量濃度為50 mg/L，搖勻后靜置一段時(shí)間。量取一定體積的含鉻模擬廢水，放置于錐形瓶中，加入一定量的ZSM-5，并處于一定的pH值，然后置于恒溫振蕩器中，震蕩一定時(shí)間后將上層清液取出，在540 nm處采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)分析鉻酸鉀的含量。通過(guò)下列公式計(jì)算去除率（E）：

式中：Co—起始的鉻酸鉀質(zhì)量濃度，mg/L；Ce—吸附后鉻酸鉀剩余質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附時(shí)間對(duì)吸附的影響

取5個(gè)錐形瓶分別加入50 mL模擬廢水（Co=50 mg/L），并分別加入ZSM-5沸石分子篩0.40 g，pH值為6.0，設(shè)置震蕩器的溫度為25℃，震蕩時(shí)間分別為 30 min、40min、60 min、90 min、120 min，然后放入離心機(jī)中進(jìn)行分離，將離心后的液體取出測(cè)量其吸光度。根據(jù)公式（1）計(jì)算鉻酸鉀的去除率。吸附時(shí)間與去除率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

圖2 吸附時(shí)間對(duì)吸附鉻酸鉀的影響

由圖2可見(jiàn)，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，鉻酸鉀的去除率逐漸升高，到60 min時(shí)去除率達(dá)到87.20%。這是由于廢水中的鉻酸鉀初始濃度大，ZSM-5沸石分子篩吸附點(diǎn)位周圍有很高濃度的鉻酸鉀，吸附速率大于解吸速率，去除率逐步上升，吸附時(shí)間超過(guò)60 min后，基本達(dá)到吸附平衡，廢水中鉻酸鉀的濃度變化不大，去除率趨于穩(wěn)定。

2.2 吸附劑用量對(duì)吸附的影響

取5個(gè)錐形瓶瓶分別加入50mL模擬廢水（Co=50 mg/L），向其中分別加入 0.2、0.4、0.5、1.0g、1.5 的ZSM-5沸石分子篩，設(shè)置震蕩器的溫度為25℃，震蕩時(shí)間為60min，pH值為6.0。然后放入離心機(jī)中進(jìn)行分離，取出離心后的液體并測(cè)量其吸光度。由公式⑴計(jì)算去除率，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 吸附劑用量對(duì)吸附的影響

由圖3可見(jiàn)，鉻酸鉀的去除率隨著吸附劑使用量的增加而逐漸升高，當(dāng)吸附劑用量為0.5 g時(shí)，鉻酸鉀的去除率的達(dá)到89.42%，繼續(xù)增大吸附劑用量，去除率變化不大。這是由于在溶液濃度一定時(shí)，吸附劑用量少，吸附的活性位少，使得鉻酸鉀的去除率也較低，隨著吸附劑使用量的逐漸增加，吸附活性位也增多，去除率也逐漸增大，但是當(dāng)吸附劑為0.5 g時(shí)，吸附活性位已經(jīng)足夠多，能夠?qū)?0 mg/L的鉻酸鉀進(jìn)行很好的吸附，此時(shí)吸附幾乎已經(jīng)達(dá)到平衡，再繼續(xù)增加吸附劑用量，對(duì)吸附效果影響不大。所以對(duì)50 mg/L的鉻酸鉀溶液，最佳的吸附劑用量為0.5 g。

2.3 溫度對(duì)吸附的影響

取5個(gè)錐形瓶分別加入50 mL模擬廢水（Co=50 mg/L），并分別加入ZSM-5沸石分子篩0.50 g，在恒溫振蕩器中震蕩時(shí)間為60 min，pH值為6.0，調(diào)節(jié)振蕩器的溫度為 25、30、35、40、45、50 ℃，然后放入離心機(jī)中進(jìn)行分離，將離心后的液體取出測(cè)量其吸光度。根據(jù)公式（1）計(jì)算鉻酸鉀的去除率。吸附溫度與去除率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

由圖4可知，隨著溫度的升高，在30℃時(shí)，吸附效果最好，去除率達(dá)到最大，繼續(xù)升高溫度，去除率反而下降，這可能與ZSM-5沸石分子篩對(duì)鉻酸鉀的吸附方式有關(guān)，剛開(kāi)始可能主要是化學(xué)吸附，所以吸附速率隨著溫度的升高而加快，之后，物理吸附占主導(dǎo)地位，所以隨著溫度的升高吸附性能降低。

圖4 吸附溫度對(duì)吸附的影響

2.4 pH值對(duì)吸附的影響

分別取50 mL質(zhì)量濃度為50 mg/L的模擬廢水，置于6個(gè)錐形瓶中，用1 mol/L的硫酸和1 mol/L的氫氧化鈉調(diào)節(jié)，控制溶液pH值分別為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0，加入 0.5 gZSM-5 沸石分子篩，設(shè)置震蕩器的溫度為30℃，震蕩時(shí)間為60min，然后放入離心機(jī)中進(jìn)行分離，測(cè)量離心分離后液體的吸光度。由公式（1）計(jì)算去除率，圖5表示pH值與去除率的關(guān)系曲線。

圖5 pH值對(duì)鉻酸鉀吸附的影響

由圖5可以看出，ZSM-5沸石分子篩的吸附性能會(huì)受到鉻酸鉀溶液的pH值影響。去除率最大處對(duì)應(yīng)的溶液pH值為5.0。ZSM-5沸石分子篩吸附水中六價(jià)鉻離子，實(shí)質(zhì)是吸附水中的。由于帶負(fù)電荷，當(dāng)pH值增加時(shí)，溶液中的OH-增加。發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，從而影響的吸附。而當(dāng)pH值降低時(shí)，溶液中的H+增加，抑制OH-的產(chǎn)生，從而促進(jìn)了吸附的進(jìn)行。但酸性過(guò)高，ZSM-5沸石分子篩的吸附點(diǎn)位可能被多余的H+占據(jù)，吸附鉻酸鉀的量反而減少，去除率降低。

3 結(jié)論

3.1 ZSM-5沸石分子篩合成過(guò)程簡(jiǎn)單易行，處理含六價(jià)鉻廢水操作簡(jiǎn)單，吸附效果好，應(yīng)用前景廣闊。

3.2 ZSM-5沸石分子篩吸附廢水中的六價(jià)鉻的最佳條件如下：吸附溫度為30℃，吸附時(shí)間為60 min，鉻酸鉀溶液pH值為5，吸附劑用量為0.5 g。此時(shí)，去除率達(dá)到了93.46%。

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