硝酸鐵改性活性炭吸附廢水中六價鉻的研究

王景香 王艷霞 張青華 張占偉

摘 要：采用硝酸鐵改性活性炭（Fe-GAC）吸附廢水中Cr6+，并與未改性的顆?；钚蕴浚℅AC）對比，考察吸附時間、溶液的pH值、溫度對Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影響。試驗結果表明，①隨著吸附時間的增加，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均增加，1.5 h前Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率增加顯著，之后吸附率增加較慢，趨于平穩;②隨著pH值的增加，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均降低，當pH≤6時，兩者的吸附效果都較好，pH值越小，吸附效果越好;③隨著溫度的升高，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明顯加快;④采用硝酸鐵對活性炭進行表面化學修飾，使改性后活性炭吸附Cr6+的能力提升，提高了對水中Cr6+的去除率。硝酸鐵改性活性炭可作為吸附劑用于實際工業含鉻廢水的處理。

關鍵詞：硝酸鐵;活性炭;吸附能力;六價鉻

中圖分類號：X52 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）10-0084-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.019

Adsorption of Hexavalent Chromium from Wastewater by Ferric

Nitrate Modified Activated Carbon

WANG Jingxiang? ? WANG Yanxia? ? ZHANG Qinghua? ? ZHANG Zhanwei

（Henan Kelon Environmental Engineering Co.， Ltd.， Jiyuan 459000，China）

Abstract：The adsorption of Cr6+ from wastewater by modified ferric nitrate activated carbon （Fe-GAC） is compared with that by unmodified granular activated carbon （GAC）. The effects are investigated about adsorption time， pH value of solution and temperature on the adsorption capacity of Fe-GAC and GAC. The results show that， ①The adsorption rates of Fe-GAC and GAC for Cr6+ increase with the increase of adsorption time. The adsorption rates of Fe-GAC and GAC for Cr6+ increase significantly before 1.5 h， and then increase slowly and level off;②With the increase of pH value， the adsorption rates of Fe-GAC and GAC for Cr6+ decrease. When the pH value is less than or equal to 4， the adsorption effect of both is better， the lower the pH value， the better the adsorption effect;③With the increase of temperature， the adsorption capacity of Fe-GAC and GAC for Cr6+ is greatly improved， and the adsorption rate is obviously accelerated;④The surface chemical modification of activated carbon with ferric nitrate improves the adsorption capacity of Cr6+ and the removal rate of Cr6+ in water. It can be used as adsorbent for the treatment of industrial wastewater containing chromium.

Keywords：ferric nitrate;activated carbon;adsorption capacity;hexavalent chromium

0 引言

鉻及其化合物作為重要的化工原料廣泛應用于工業生產。隨著社會經濟的迅速發展，鉻化合物的消費量逐年增加，鉻及其化合物在生產過程中不可避免地產生大量含鉻廢水。含鉻廢水主要來源于電鍍、化工、冶金等多個行業[1]，尤其電鍍行業產生的含鉻廢水最多。含鉻廢水的危害與廢水中鉻的價態有關，廢水中主要有Cr3+和Cr6+兩種價態，Cr6+與Cr3+具有更強的致癌和致突變能力;同時，Cr6+具有很強的氧化能力和遷移能力，會對生態環境和人類健康構成嚴重威脅[2-3]。隨著環境問題日益嚴峻，越來越多的科研工作者在廢水處理技術開發方面做了大量的工作[4-8]?；钚蕴坑捎谄浔砻娲嬖诖罅康暮徐o電吸附功能的官能團，可以對廢水中Cr6+進行吸附，且活性炭具有吸附效率高、吸附性能穩定、操作費用低等優點，被廣泛應用于含鉻廢水的處理[9-10]。本試驗采用硝酸鐵改性活性炭（Fe-GAC）吸附廢水中Cr6+，并與未改性的顆粒活性炭（GAC）做對比，考察吸附時間、溶液的pH值、溫度對Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影響，擬尋找一種有效處理廢水中Cr6+的吸附劑。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器與原料

1.1.1 試驗儀器。恒溫振蕩器（THZ-312）;分光光度計（752型）;電干燥箱（DHG-9030）。

1.1.2 試驗原料。顆粒活性炭（GAC）、硝酸鐵、重鉻酸鉀、H2SO4、NaOH、HCl等。

1.1.3 制備硝酸鐵改性活性炭。將10 g活性炭加入100 mL濃度為0.2 mol/L的Fe（NO3）3溶液中，混勻后放置在90 ℃恒溫水浴中振蕩5 h。之后取出活性炭用蒸餾水反復沖洗，然后將沖洗后的活性炭放入干燥箱，于110 ℃下烘干至恒重，最后再放入電爐，于150 ℃烘焙5 h，即得到硝酸鐵改性活性炭（Fe-GAC）。

1.1.4 模擬含鉻廢水的配制。將固體重鉻酸鉀置于110 ℃干燥箱中干燥2 h，配成質量濃度為50 mg/L的溶液。同時配制質量分數為5%的H2SO4溶液和質量分數為10%的NaOH溶液用于處理活性炭和調節含鉻廢水的pH值。

1.2 試驗方法

稱取1 g吸附材料，加入盛有25 mL質量濃度為50 mg/L的K2Cr2O7溶液的錐形瓶中。在指定溫度下攪拌規定時間，立即抽濾，將濾液移入50 mL容量瓶中，加2.5 mL二苯氨基脲指示劑，靜置10 min后，用分光光度計在波長540 nm處測其吸光值，對比標準曲線確定其濃度，根據濃度的變化計算吸附率。

2 結果與討論

2.1 吸附時間對吸附率的影響

試驗初始條件：改性前后活性炭各1 g，Cr6+初始質量濃度為50 mg/L，pH值為4，溫度為45 ℃。吸附時間與吸附率的關系如圖1所示。由圖1可知，隨著吸附時間的增加，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均增加。當吸附時間從0.5 h增加到1.5 h時，Fe-GAC對Cr6+的吸附率從7.3%增加到35.8%，增加了28.5%;GAC對Cr6+的吸附率從5.5%增加到30.5%，增加了25%。當吸附時間從2 h增加到4 h時，Fe-GAC對Cr6+的吸附率從38.8%增加到45.2%，增加了6.4%;GAC對Cr6+的吸附率從34.4%增加到38.5%，增加了4.1%。由以上數據可知，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率在1.5 h前增加顯著，吸附時間增加1 h，吸附率分別增加了28.5%、25%;當吸附時間大于2 h時，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均增加緩慢，吸附時間增加2 h，Fe-GAC的吸附率僅增加6.4%，GAC的吸附率僅增加4.1%。造成這種現象的主要原因是吸附前期，Fe-GAC和GAC表面活性位點較多，可在短時間內吸附較多的Cr6+。隨著吸附時間的延長，活性點位越來越少，造成吸附速率降低，吸附率增加緩慢。由圖1可知，在整個階段，Fe-GAC的吸附率一直比GAC的吸附率高。原因主要是改性后的活性炭表面含氧官能團數量比未改性活性炭的多，提高了其吸附能力;同時改性后活性炭表面的吸附活性位點增加，以上原因導致Fe-GAC的吸附率比GAC的吸附率高[4]。

2.2 pH值對吸附率的影響

試驗初始條件：改性前后活性炭各1 g，Cr6+的初始濃度為50 mg/L，吸附時間為2 h，溫度為45 ℃，采用氫氧化鈉和稀硫酸調整pH值。pH值與吸附率的關系如圖2所示。由圖2可知，當pH值為2～6時，隨著pH值的升高，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均顯著降低。Fe-GAC對Cr6+的吸附率從92.9%降至32.9%，降低了60%;GAC對Cr6+的吸附率從88.2%降至20.2%，降低了68%。當pH值為7～9時，隨著pH值的升高，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率變化不明顯，Fe-GAC對Cr6+的吸附率從20.5%降至16.2%，降低了4.3%;GAC對Cr6+的吸附率從10.8%降至9.8%，降低了1%。由以上數據可知，當pH≤4時，Fe-GAC和GAC均有較好的吸附性能，pH值越小，吸附效果越好。說明在偏酸性條件下，Fe-GAC和GAC的吸附能力都很好。這主要與Cr6+的存在形式有關，在偏酸性條件下，Cr6+主要以HCrO4-形式存在，HCrO4-帶負電，pH值越小，活性炭表面H+濃度越高，使其與HCrO4-的靜電引力越大，吸附效果較好。

2.3 溫度對吸附率的影響

試驗初始條件：改性前后活性炭各1 g，Cr6+的初始質量濃度為50 mg/L，吸附時間2 h，pH值為4。溫度與吸附率的關系如圖3所示。由圖3可知，隨著溫度的升高，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均呈現上升趨勢。當溫度從25 ℃升高到45 ℃時，Fe-GAC的吸附率從35.8%上升到60.3%，增加了24.5%;GAC的吸附率從32.5%上升到54.8%，增加了22.3%，Fe-GAC和GAC的吸附率均明顯增加。當溫度從45 ℃升高到60 ℃時，Fe-GAC的吸附率從60.3%上升到62.1%，增加了1.8%;GAC的吸附率從54.8%上升到57.1%，增加了2.3%，Fe-GAC和GAC的吸附率增加緩慢。根據吸附熱力學原理，物理吸附是一個放熱過程，升高溫度會使吸附水平降低，而由基團靜電吸引而引發的化學吸附是吸熱過程，升高溫度有利于化學吸附的進行。由圖3可以看出，隨著溫度的升高，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明顯加快。Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附過程同時滿足物理吸附和化學吸附，其中化學吸附占主導地位。故升高溫度有利于提升活性炭對Cr6+的吸附性能。

3 結論

采用硝酸鐵改性活性炭（Fe-GAC）吸附廢水中Cr6+，并與未改性的顆粒活性炭（GAC）做對比，考察吸附時間、溶液的pH值、溫度對Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影響，得到以下4個結論。

①隨著吸附時間的增加，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均增加。在1.5 h前，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率增加顯著，之后吸附率增加較慢，趨于平穩。

②隨著pH值的增加，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附率均降低。當pH≤4時，兩者的吸附效果都較好，pH值越小，吸附效果越好。

③隨著溫度的升高，Fe-GAC和GAC對Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明顯加快。

④采用硝酸鐵對活性炭進行表面化學修飾，使改性后活性炭吸附Cr6+的能力提升，提高了對水中Cr6+的去除率，可作為吸附劑用于實際工業含鉻廢水的處理。

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