電吸附技術(shù)去除重金屬三價(jià)鉻離子的研究

王國(guó)鋒

（天津市塘沽鑫宇環(huán)保科技有限公司天津300000）

電吸附技術(shù)去除重金屬三價(jià)鉻離子的研究

王國(guó)鋒

（天津市塘沽鑫宇環(huán)保科技有限公司天津300000）

三價(jià)鉻的電吸附去除研究表明：在溶液pH值較低時(shí)，Cr3+的電吸附受到H+的競(jìng)爭(zhēng)吸附，Cr3+的電吸附合適的溶液pH值為7。Cr3+的物理吸附吸附過(guò)程符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，Cr3+的電吸附過(guò)程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。電吸附相對(duì)物理吸附可以提高電極的吸附容量，Cr3+的物理吸附的飽和吸附量為3.07mg/g，1.2V時(shí)電吸附容量為7.58mg/g。Cr3+的電吸附循環(huán)性能良好，能夠保持電吸附容量長(zhǎng)期穩(wěn)定。

電吸附炭電極Cr3+

廢水的鉻有三價(jià)鉻和六價(jià)鉻。含鉻廢水主要在機(jī)器制造、冶金、金屬加工、電鍍、顏料、制革以及其他工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的。鉻對(duì)人和溫血?jiǎng)游锏奈：χ饕w現(xiàn)為：致毒作用、刺激作用、累積作用、變態(tài)反應(yīng)、致癌作用和致突變作用等。《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定總鉻的排放濃度限值為1.5mg/L。含鉻工業(yè)廢水的處理方法有離子交換法、電解法、鐵氧體法和活性炭吸附法等。

EST(Electro-Sorb Technology)，中文謂電吸附技術(shù)，它是利用帶電電極表面吸附水中離子及帶電粒子的現(xiàn)象，使水中溶解鹽類(lèi)及其它帶電物質(zhì)在電極的表面富集濃縮而實(shí)現(xiàn)水的凈化/淡化的一種新型水處理技術(shù)[1-3]。

電吸附原理見(jiàn)圖1，原水從一端進(jìn)入陰陽(yáng)極組成的空間，從另一端流出。原水在陰、陽(yáng)極之間流動(dòng)時(shí)受到電場(chǎng)的作用，水中帶電粒子分別向帶相反電荷的電極遷移，被該電極吸附并儲(chǔ)存在雙電層內(nèi)。隨著電極吸附帶電粒子的增多，帶電粒子在電極表面富集濃縮，最終實(shí)現(xiàn)與水的分離，使水中的溶解鹽類(lèi)及其它帶電物質(zhì)滯留在電極表面，獲得凈化/淡化的出水[4,5]。

電吸附除鹽技術(shù)，目前主要用于常規(guī)的無(wú)機(jī)離子的去除，如Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-等，對(duì)于常規(guī)無(wú)機(jī)離子的去除取得了較好的效果，并逐漸在實(shí)踐中應(yīng)用[6,7]。重金屬離子也是帶電荷的污染物，因此也可采用電吸附技術(shù)進(jìn)行去除，目前國(guó)內(nèi)外采用電吸附去除重金屬的研究較少。

本文設(shè)計(jì)了Cr3+的電吸附試驗(yàn)，研究了溶液pH對(duì)Cr3+電吸附去除的影響、Cr3+的吸附動(dòng)力學(xué)、Cr3+的吸脫附穩(wěn)定性。

圖1　電吸附原理示意圖

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

電吸附實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2，裝置由電吸附模塊、直流電源、蠕動(dòng)泵和溶液槽等組成。電吸附模塊中的炭電極由常州愛(ài)思特凈化設(shè)備有限公司提供。模塊由1對(duì)電極組成，電極的尺寸為70 mm×80 mm× 1.5 mm，兩片電極之間的水流通道的間距為4 mm。

圖2　實(shí)驗(yàn)流程圖

1.2實(shí)驗(yàn)部分

研究不同pH值溶液中，研究電極對(duì)Cr3+的吸附量。在最佳pH值條件下，研究不同的電壓對(duì)電極吸附量的影響，并得到電吸附去除Cr3+的吸附動(dòng)力學(xué)。

2　結(jié)果與討論

2.1 pH對(duì)三價(jià)鉻電吸附的影響

在極對(duì)電壓為1.2V，正負(fù)電極之間的距離為4mm，Cr3+初始濃度為520mg/L（10mmol/L），溶液的體積為600mL，研究原溶液pH值對(duì)Cr3+電吸附的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3　 pH對(duì)Cr3+電吸附的影響

由圖3可知，隨著pH值的增加，Cr3+的吸附容量逐漸增加。這是由于在酸性條件下，H+濃度較大，H+與Cr3+產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，電極吸附了部分H+，則Cr3+的吸附容量降低。另外，pH值過(guò)大則產(chǎn)生Cr (OH)3沉淀，因此電吸附實(shí)驗(yàn)的溶液的pH宜采用6～7，下文的實(shí)驗(yàn)都是控制原溶液的pH值為7.0。

2.2三價(jià)鉻吸附動(dòng)力學(xué)

三價(jià)鉻的吸附動(dòng)力學(xué)曲線見(jiàn)圖4。由圖4可知，不同電壓下對(duì)鉻吸附動(dòng)力學(xué)曲線基本可以分為兩個(gè)階段：（1）快速吸附階段，在0～90min期間，Cr3+被快速吸附到電極內(nèi)部的孔道中，到90min時(shí)，吸附量基本達(dá)到了飽和吸附量的90%。（2）慢速吸附階段，隨著電極孔道內(nèi)逐漸被Cr3+充滿，電極內(nèi)部吸附電位減少，則吸附速率變得比較緩慢。快速吸附階段的吸附量基本決定了飽和吸附量的大小。

圖4　Cr3+吸附動(dòng)力學(xué)曲線

由圖4可知，Cr3+的物理吸附的飽和吸附量可以達(dá)到3.07mg/g，電吸附是在物理吸附飽和的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，Cr3+物理吸附飽和后，加上0.6V的電壓依然能繼續(xù)吸附3.43mg/g，電壓升至1.2V時(shí)，電吸附量達(dá)到7.58mg/g，1.2V的電吸附容量為0.6V的2.21倍，由此可見(jiàn)電吸附能夠極大的提高電極吸附能力。

Cr3+的吸附動(dòng)力學(xué)曲線，分別用一級(jí)吸附速率方程和二級(jí)吸附速率方程進(jìn)行線性回歸，回歸的曲線分別見(jiàn)圖5和圖6，根據(jù)吸附動(dòng)力學(xué)方程所求的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5　準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)電極吸附三價(jià)鉻的動(dòng)力學(xué)摸擬

圖6　準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)電極吸附三價(jià)鉻的動(dòng)力學(xué)模擬

表1　不同電壓下鉻吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

由圖5、圖6及表1可知，從擬合的飽和吸附量來(lái)看，物理吸附二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合的飽和吸附量接近試驗(yàn)的飽和吸附量；而對(duì)電吸附而言，電吸附一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合的飽和吸附量接近試驗(yàn)的飽和吸附量。同時(shí)，從相關(guān)性系數(shù)來(lái)看，物理吸附的二級(jí)動(dòng)力學(xué)相關(guān)系數(shù)高于一級(jí)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)系數(shù)；而對(duì)于電吸附來(lái)講，則是相反的。因此，表明Cr3+的物理吸附是借助電極表面的官能團(tuán)而被吸附，電吸附則是借助電場(chǎng)推動(dòng)力的作用被吸附的電極表面，即物理吸附和電吸附的機(jī)理是存在區(qū)別的。

2.3三價(jià)鉻電吸附/脫附循環(huán)

電吸附吸附常規(guī)的無(wú)機(jī)鹽離子具有良好的吸附和脫附性能，具有較好的循環(huán)性。而電吸附對(duì)Cr3+的吸附和脫附性能需要進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)在1.2V電壓下，原溶液Cr3+濃度為520mg/L（10mmol/L），吸附達(dá)到飽和后，對(duì)電極進(jìn)行短接，此時(shí)Cr3+從電極中脫附出來(lái)。循環(huán)20個(gè)周期后，電吸附容量隨周期的變化見(jiàn)圖7。

圖7　 Cr3+電吸附容量隨周期數(shù)的變化

由圖7可知，Cr3+的電吸附容量在第1周期時(shí)為7.30mg/g，第5周期時(shí)電吸附容量為6.87mg/g，下降了5.9%。此后下降速度較慢，到第20周期時(shí)，電吸附容量為6.76mg/g，即電吸附容量已經(jīng)變得平穩(wěn)。主要原因是在初始的幾個(gè)周期中，部分Cr3+被吸入到電極深部的微小孔道中，未能脫附出來(lái)。隨著周期數(shù)的增加，進(jìn)入電極深部且未能脫附的量較少，因此此時(shí)電吸附容量已經(jīng)逐漸保持穩(wěn)定。

3　結(jié)論

（1）在溶液pH值較低時(shí)，Cr3+的電吸附受到H+的競(jìng)爭(zhēng)吸附，所以Cr3+的電吸附合適的pH值為7。

（2）電吸附相對(duì)物理吸附可以提高電極的吸附容量，物理吸附對(duì)Cr3+的飽和吸附量為3.07mg/g，0.6V電壓的電吸附容量為3.43mg/g，電壓升至1.2V時(shí)，電吸附量達(dá)到7.58mg/g，1.2V的電吸附容量為0.6V的2.21倍。Cr3+的物理吸附吸附過(guò)程符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

（3）Cr3+的循環(huán)吸附表明，循環(huán)吸附性能良好。僅在前幾個(gè)周期，少量離子進(jìn)入內(nèi)部孔道，難以脫附出，吸附量下降明顯；下降趨勢(shì)隨周期數(shù)增加逐漸平緩。電吸附由于優(yōu)良的重復(fù)吸附性能，因此在重金屬污染治理領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]E.J.Bain,J.M.Calo,S.S.Ruben,et al.Electrosorption/Electrodesorption of Arsenic on a Granular Activated Carbon in thePresence of Other Heavy Metals.Energy&Fuels,2010,24, 3415-3421.

[2]孫曉慰,朱國(guó)富.電吸附水處理技術(shù)(EST)的原理及構(gòu)成[J].工業(yè)用水與廢水, 2002,33(4):18-20.

[3]孫曉慰,朱國(guó)富.電吸附水處理技術(shù)及設(shè)備[J].工業(yè)水處理,2002,22(8):1-3.

[4]劉海靜,張鴻濤,孫曉慰.電吸附法去除地下水中離子的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)給排水. 2003,19(11):36-38.

[5]莫?jiǎng)π?陳福明.電容吸附去離子方法的研究[J].水處理技術(shù),2007,33(8):20-22.

[6]J.H.Richardson,J.C.Farmer,D.V.Fix,et al.Capacitive Deionization System[C]. Proceeding of the Seventh National Technology Transfer Conference.Anaheim,CA,1996.

[7]G.C.Ganzi,J.H.Wood,et al.Water purification and recycling using the CDI process [J].J.Environmental Progress,1992,11(1):49-53.

Removal Trivalent chromium from aqueous solutions by electrosorption

WANG Guo-feng
(Tianjin Tanggu Xinyu Environmental Technology Co.,Ltd.)

Trivalent chromium electrosorption studies have shown that:when the pH of the solution is lower,Cr3+electrosorption competitive by adsorption of H+,the appropriate solution pH value for Cr3+electrosorption is 7.The physical adsorption kinetic line of Cr3+meetsecond-order kinetic equation,the electrosorption kinetic line of Cr3+meetfirst-order kinetics.The electrosorption can increase the adsorption capacity of the electrode compared to physical adsorption. The physical adsorption capacity of Cr3+is 3.07mg/g,the electrosorption capacity of 1.2V is 7.58mg/g.The cycle electrosorption performance of Cr3+is good;electrode can be maintaining long-term and stable electrosorption capacity.

electrosorption;carbon electrode;Cr3+

X703.1[文獻(xiàn)碼]A

1000-405X（2015）-7-470-3

王國(guó)鋒(1982～)，男，碩士研究生。