實驗室含鉻廢水處理初步研究

曹旺祥，儲倩瑩，馬 嬙，2

（1.廈門大學嘉庚學院；2.河口生態安全與環境健康福建省高校重點實驗室，福建 漳州 363105）

重金屬廢水是指金屬礦冶煉、電解、電鍍、染料、機械加工和許多化工企業排出的含有大量重金屬離子的工業廢水，它對環境能產生巨大的危害，產生許多顯而易見的環境污染，因此需要慎重對待。含鉻廢水毒性大，不經過科學處理就直接排放，會引起嚴重的水質污染，還會通過食物鏈使人出現重金屬中毒等，影響人體健康[1-2]。所以，人們必須探究科學方法來處理實驗室含鉻廢水。

大量含鉻廢水如果未經處理就直接排放，會遠遠超出生態環境的自凈能力，導致其無法實現自然降解。因此，實驗室必須有效處理含鉻廢水，使其達標排放。目前，重金屬廢水處理方法有：吸附法、離子交換法、化學沉淀法、電化學法、生物吸附法、膜分離法和電解法等[3]。

1 儀器與試劑

1.1 試驗藥品

氫氧化鈉、硫酸亞鐵、鹽酸、磷酸、硫酸、重鉻酸鉀、二苯碳酰二肼、丙酮，以上試劑均為分析純，配制溶液用水均為去離子水。

1.2 試劑

鉻標準儲備液1 g/L；模擬廢水100 mg/L；磷酸（1+1）；硫酸（1+1）；顯色劑；鉻標準使用液1 mg/L。0.5 mol/L H2SO4；0.5 mol/L NaOH；10%的氫氧化鈉溶液。

1.3 試驗儀器

TAS-986型火焰原子吸收分光光度計、UItima IV型XRD射線衍射儀、AR1140型電子天平、托盤天平、DHG-9053A臺式干燥箱、HJ-6A型恒溫攪拌機。

1.4 試驗工具

燒杯、錐形瓶、量筒、比色管、移液槍、移液管、玻璃棒、培養皿、研磨器、棕色瓶、洗耳球。

2 試驗內容

本研究主要采用氧化還原法和化學沉淀法[4-5]。通過查閱文獻、理論計算和預試驗得知，影響含鉻廢水處理的試驗條件有投加（Fe2+/Cr6+）比值、還原反應pH、共沉淀pH、還原反應時間t1、共沉淀時間。

2.1 標準曲線的繪制

使用移液管分別提取不同體積的鉻標準使用液，利用二苯碳酰二肼分光光度法測定吸光度，把濃度轉化為質量，繪制出六價鉻的質量標準曲線，如圖1所示。

圖1 六價鉻的質量標準曲線

如圖1所示，以蒸餾水為參比的吸光度為0，試驗時分別提取1 mL、2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL的鉻標準使用液，通過計算轉化，制作質量標準曲線。其中，R2=0.999 8，接近于1，即可用y=4.890 8x+0.000 2進行實驗室含鉻原廢水的濃度轉化計算。

2.2 投加（Fe2+/Cr6+）比值對廢水去除率的影響

設置投加量中的（Fe2+/Cr6+）比值為1、2、3、4、5、6、7，其他條件都相同，投加比值對含鉻廢水去除率的影響如表1所示。

表1 投加比值對含鉻廢水去除率的影響

由表1可以看出，隨著投加比值上升，鉻的去除率顯著增大，當投加比值大于6時，去除率超過99.63%，此時處理后的廢水已經能夠達標排放，再結合成本，將投加量中（Fe2+/Cr6+）的比例設置為6即為最佳。

2.3 還原反應pH對含鉻廢水去除率的影響

設置反應pH為1、2、3、4、5、6，進行試驗，具體結果如表2所示。

表2 還原反應pH對含鉻廢水去除率的影響

與投加量相比，反應pH的去除率比較穩定，去除率均較高且變化幅度不大，當pH為1、2、3時，處理后的模擬廢水才能達到排放標準。

2.4 共沉淀pH對含鉻廢水去除率的影響

設置共沉淀pH為7、8、9、10、11，進行含鉻廢水處理試驗，具體結果如表3所示。

表3 共沉淀pH對含鉻廢水去除率的影響

共沉淀pH對含鉻廢水去除率的影響不大且鉻的去除率很高，當pH為10、11時，含鉻廢水才能達標排放。綜合成本因素，試驗時需要把共沉淀pH控制在10左右。

2.5 還原反應時間對含鉻廢水去除率的影響

設置還原反應時間分別為0.5 min、1.0 min、1.5 min、2.0 min，然后進行試驗，具體結果如表4所示。

表4 還原反應時間對含鉻廢水去除率的影響

控制反應時間進行試驗，去除率都超過98.00%且影響不大，再次證明，只要投加比值足夠大，含鉻廢水去除率都非常高。但是，要想按照國家標準排放，反應時間應控制在2 min，可達到最高去除率。

2.6 共沉淀時間對含鉻廢水去除率的影響

本試驗把控制共沉淀時間作為變量，把條件設置為5 min、10 min、15 min、20 min，進行單因素試驗，具體結果如表5所示。

表5 共沉淀時間對含鉻廢水去除率的影響

共沉淀時間分別設置為5 min、10 min、15 min、20 min時，去除率都高達99.63%，其對去除率的影響不大，都能夠達標排放。但是，為了讓反應更完全，共沉淀時間最好不低于10 min。

2.7 最佳條件對含鉻原廢水去除率的影響

通過模擬試驗，筆者確定，處理含鉻廢水的最佳工藝條件為：投加（Fe2+/Cr6+）=6、還原反應pH=3、共沉淀pH=10、還原反應時間為2 min、共沉淀時間=10 min。利用這些最佳條件對實驗室中的含鉻原廢水進行處理，利用Cr6+質量標準曲線測得實驗室原廢水的Cr6+濃度為731.99 mg/L，溶液pH小于1，因此不需要調節還原反應的pH。在控制共沉淀pH時，需要提高氫氧化鈉的濃度來調節pH，此時選用濃度為10%的氫氧化鈉溶液進行試驗。經過試驗處理后，Cr6+的去除率高達99.87%，證明該方法對Cr6+的處理能力非常強。該方法簡易快捷，成本不高，不會造成二次污染，改善了廢水水質。經過處理后，廢水雖然沒有達到國家相關排放標準，但是排放后不會嚴重污染周邊水環境。同時，含鉻廢水體積減少、濃度降低，Cr6+沉淀后也實現了回收再利用，真正做到了減量化、無害化和資源化。

2.8 XRD沉淀物分析

本試驗產生的沉淀物利用XRD射線衍射儀進行表征分析，具體結果如圖2所示。

圖2 沉淀物的表征分析

如圖2所示，沉淀物表征為Na2SO4、NaFe（SO4）2、Cr2S3，其主要沉淀物為Na2SO4，另外含有少量的含鉻含鐵化合物。

3 試驗結果討論

3.1 模擬試驗單因素試驗結果分析

本次模擬試驗以影響含鉻廢水處理的單因素投加（Fe2+/Cr6+）的比值、還原反應pH、共沉淀pH、還原反應時間、共沉淀時間為研究對象，從而確定最佳反應條件。表1～表5的數據表明，只有投加量的試驗結果表明與含鉻廢水的去除率息息相關，如果硫酸亞鐵的投加量不夠，不管在什么條件下去除率都非常低，其他條件對去除率的變化波動不大。其他學者如盧烔元、段睿、楊儷等人都采用鐵氧體法進行含鉻廢水處理試驗，均運用Fe2+還原Cr6+再加NaOH的試驗方法進行含鉻廢水處理[9-11]。沉淀物表征分析中，沉淀物為含鉻鐵氧體，除此之外，其他試驗結果均與本次試驗結果基本一致。

3.2 最佳工藝條件下對實驗室含鉻原廢水去除率的影響分析

通過模擬實驗得到最佳條件后，進行實驗室含鉻廢水的處理，去除率達到99.87%。但是，實驗室廢水含有多種廢液，化學成分不同，不一定完全是含鉻廢水，可能含有其他重金屬離子和有機物。在利用火焰原子吸收分光光度計測定吸光度時，這可能造成吸光度偏大，但是影響不大，因為采用的二苯碳酰二肼分光光度法只能測鉻的吸光度[12-13]。

4 結論

本文通過模擬試驗分析了影響含鉻廢水處理的主要因素，包括投加（Fe2+/Cr6+）的比值、還原反應pH、共沉淀pH、還原反應時間和共沉淀時間，進而確定最佳反應條件，之后進行原廢水處理、沉淀物分析和去除率計算。試驗結果表明，投加（Fe2+/Cr6+）的比值對含鉻廢水處理影響最大；處理含鉻廢水的最佳條件為投加（Fe2+/Cr6+）=6、還原反應pH=3、共沉淀pH=10、還原反應時間為2 min、共沉淀時間=10 min；在最佳條件下，處理實驗室含鉻廢水，不產生二次污染；實驗室含鉻廢水經處理后反應生成的沉淀物大部分是硫酸鈉，少部分為含鉻含鐵化合物。總體而言，本次利用鐵氧體法處理實驗室含鉻廢水，處理效果顯著，鉻的去除率高達99%，簡單方便，成本不高，對環境沒有造成二次污染，生成的沉淀物具有實際應用價值和推廣價值，含鉻含鐵化合物可以用來制作電器元件和煉鐵原料等，用途廣泛。