化學絮凝-活性炭吸附法在處理含重金屬廢水中的應用

摘 """""要：含重金屬元素的廢水是一種難以處理且對環境污染程度較高的工業廢水。以含有Fe、Co、Mn、Ag等重金屬離子的模擬廢水為研究對象，采用先添加絮凝劑化學絮凝，再通過活性炭過濾的方法進行處理，并研究了活性炭種類、pH值、硼酸含量對模擬廢水中重金屬元素去除效率的影響。實驗結果表明活性炭顆粒越細、碘值越低對重金屬的去除效果越好；該絮凝劑可以在較寬pH值范圍內和較高濃度硼酸存在下使用。化學絮凝+活性炭吸附過濾法對于含重金屬元素工業廢水的處理是一種既經濟又高效的方法。

關 "鍵 "詞：絮凝劑； 活性炭； 吸附； 重金屬； 廢水

中圖分類號：TQ085"""""文獻標志碼： A """"文章編號： 1004-0935（2024）07-1031-04

工業生產排出的廢水中常含有重金屬元素，該類廢水如果處理不當，會對環境和人類造成嚴重的危害^[1-3]。處理含有重金屬廢水的方法有很多，如吸附法、生物絮凝法、化學絮凝法、離子交換法、電化學法等^[4-10]。這些常用方法對于廢水中的重金屬離子通常具有較好的處理效果。但是由于重金屬離子的水解作用，以及廢水中顆粒物或膠體的吸附作用，導致廢水中大部分重金屬以膠粒形式存在。對于此膠體狀態的重金屬，上述方法通常去除效果較差。如果在含有重金屬膠體的廢水中添加復合型絮凝劑，則可以將廢水中的膠體絮凝沉淀^[11-14]，再經過活性炭的吸附過濾，則可以達到重金屬元素的高效去除。本文主要選用聚合氧化鋁鐵-聚丙烯酰胺無機有機復合型絮凝劑，對不同濃度模擬廢水中的Fe、Co、Mn、Ag四種元素的去除效果進行研究，討論不同活性炭種類對吸附過濾實驗的影響，并探索模擬廢水的pH對四種金屬元素的成膠狀態以及去除能力的影響。

1 "實驗部分

1.1 "模擬廢水的配制

用分析天平按目標溶液濃度及體積計算稱取對應質量的AgNO₃、Fe（NO₃）₃··9H₂O、Co（NO₃）₂··6H₂O和MnSO₄··H₂O，溶解于去離子水中，在機械攪拌下逐滴加入質量濃度為0.2 mol·L^-1的NaOH溶液調節模擬廢水的pH分別為7.0、8.0、9.0、10.0。將離子質量濃度為1?10^-5"kg·L^-1的模擬廢水標記為10^-5數量級，其中10^-7數量級的模擬廢水中Fe、Co、Mn、Ag四種金屬的目標質量濃度分別為0.7、0.9、0.3、0.5 mg·L^-1，10^-5、10^-6、10^-8和10^-9數量級模擬廢水中各金屬濃度以此類推。實驗中所用化學藥品均為分析純。

對模擬廢水進行膠體狀態探索，將每次配制的原水經過孔徑為0.1 μm的濾膜過濾，測試濾膜出水的濃度，并通過下式計算原水的成膠率：

成膠率％＝原水中離子濃度－濾后出水離子濃度／原水中離子濃度×１００％

1.2 "實驗方法

活性炭過濾實驗中的裝填柱子內徑為2.5 cm，活性炭裝填高度為5 cm，為防止活性炭泄漏，在柱底和活性炭頂塞入脫脂棉，并使活性炭緊密堆積。

實驗采用聚合氧化鋁鐵-聚丙烯酰胺復合型絮凝劑，將所需濃度的絮凝劑加入模擬廢水中，邊滴加邊機械攪拌使絮凝劑和模擬廢水混合，攪拌速度為500 r·/min^-1，攪拌時間為15 s，后倒入活性炭柱中經活性炭吸附過濾，取濾后的出水進行測試，并計算各元素的去除因子DF，用于評價絮凝劑的絮凝效果。其中去除因子計算方式如下：

DF＝模擬廢水元素濃度/處理后出水元素濃度×100％

DF值越大，表示絮凝劑對廢水中重金屬元素的去除能力越強。

1.3 "分析測試方法

采用AVIO 500型電感耦合等離子體發射光譜儀（美國珀金埃爾默公司）測試所有的金屬元素濃度，并且所有樣品在濃度測試前均進行消解處理；采用Nex ION 300D型電感耦合等離子體質譜儀（美國珀金埃爾默公司）檢測低濃度的原水及經絮凝過濾后的出水中各金屬元素的質量濃度。模擬廢水的ζ電位、電導率及膠體粒徑均由Nanozs90型納米粒度及Zeta電位分析儀（英國馬爾文公司）測得。采用激光束從燒杯側面照射配制的模擬廢水測試丁達爾效應。將模擬廢水經過11"000 rad·min^-1高速離心得到固態膠粒，通過QUANTA 450型環境掃描電子顯微鏡（美國FEI公司）觀察膠粒形貌，通過能量散射X射線光譜分析儀（牛津公司）獲得膠粒中的元素能量分布；模擬廢水的pH由FiveEasy Plus型pH計（梅特勒公司）測定。

2 "實驗結果與討論

2.1 "模擬廢水的表征結果

如圖1所示在10^-7、10^-8和10^-9數量級模擬廢水中均能看到明顯的丁達爾現象，說明模擬廢水是呈膠體狀態的。

從表1可以看出，模擬廢水中的膠粒平均直徑在132.1 nm左右。10^-7數量級模擬廢水通過高速離心后分離出膠粒，其膠粒的SEM圖像及Mn、Fe、Ag、Co元素mapping圖像如圖2所示，可以看出膠粒大小很均勻，并且四種元素分布也很均勻。

2.2 "模擬廢水的pH值影響

從圖3a可以看出，對于10^-7數量級模擬廢水，即使在pH值為7的情況下，Fe元素都可以100%成膠，但是Co元素完全沒有形成膠體；隨著pH增大到10，Co的成膠率可以達到99.17%，但是Mn和Ag元素的成膠率基本維持在31%和36%。

在不同pH值的模擬廢水中分別加入20 mg·/L^-1的絮凝劑，各元素的去除效果如圖3b所示。可以看出，隨著模擬廢水pH值的增大，只有pH值為9時，Ag元素的DF值有所降低，但是仍有83.33%，能達到較好地去除效果。說明該絮凝劑可以在較寬的pH范圍內適用。

2.3 "活性炭的篩選

本文選取四種不同種類活性炭進行研究，活性炭種類及對模擬廢水的去除效果如表2和圖4所示。

對比活性炭A、B或者C、D可知，活性炭顆粒越細截留越多，"對重金屬元素的去除效果越好；對比A、C或者B、D可知，碘值越小，即吸附能力相對弱一些的，效果越好。對Fe元素的處理效果只有B能達到要求，并且活性炭B對其他三種元素也表現出較好的去除能力，故采用B活性炭進行后續研究。

2.4 "硼酸濃度的影響

為了考察該方法的適用性，探究處理含硼酸廢水中硼酸質量濃度對去除效果的影響，在10^-7數量級模擬廢水中分別加入質量濃度為100、1"000、2"000 mg·L^-1的硼酸，隨后使用20 mg·L^-1的絮凝劑進行絮凝處理。實驗結果如圖5所示。

即使在2"000 mg·L^-1高濃度的硼酸存在下，Fe、Co、Mn三種元素的去除效果基本沒有影響，但是Ag元素的DF隨著硼酸濃度的加大而降低。

2.5 "不同濃度模擬廢水的處理

進一步研究該化學絮凝-活性炭吸附法對不同濃度模擬廢水的處理效果，測試了10^-5、10^-6、10^-7、10^-8以及10^-9五種濃度模擬廢水。濃度為10^-5、10^-6、10^-7的模擬廢水以及處理后出水中各金屬元素的濃度通過ICP-OES測試，10^-8、10^-9的模擬廢水以及處理后出水中各金屬元素的濃度通過ICP-MS進行測試，測試結果如表3所示。

從表3可以看出，即使加大模擬廢水中金屬元素的濃度至10^-5、10^-6數量級，該方法對四種元素的去除效率仍然很高。在10^-9數量級超低濃度下，只有Mn元素的去除能力有所下降，說明該化學絮凝-活性炭過濾的方法對于重金屬元素的濃度范圍適用較廣。

3""結 論

1）實驗通過配制含有Fe、Co、Mn、Ag四種重金屬元素的模擬廢水，添加有機-無機復合型絮凝劑進行化學絮凝，處理后結合活性炭吸附過濾。實驗結果表明活性炭顆粒越細、碘值越低對重金屬的去除效果越好； pH升高顯著提升Co元素的成膠率，加入絮凝劑后，pH對四種元素的DF值影響不大，說明該絮凝劑可以在較寬pH值范圍內使用。

2）用該方法含硼酸廢水，不同濃度的硼酸溶液對Fe、Co、Ni的去除效果沒有影響，而高濃度硼酸會降低Ag元素的去除效果。

3）對不同濃度模擬廢水的處理結果表明該方法可以在10^-5-10^-9數量級較寬的范圍下適用，并且高濃度硼酸的加入對重金屬元素的去除效果沒有明顯的減弱，表明該化學絮凝+活性炭吸附過濾法對于含重金屬元素工業廢水的處理是一種既經濟又高效的方法。

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Application of Chemical Flocculation Activated Carbon Adsorption

Method in the Treatment of Wastewater Containing Heavy Metals

XU Qiang SUN Xue-yan""FENG Shi Shi ZHOU Yu-meng TAO Sheng-yang

（1a."Instrumental Analysis Center，"Dalian University of Technology，"Liaoning Dalian 116024，China；;

2"b. School of Chemistry， Dalian University of Technology， Dalian"Liaoning Dalian 116024，，"China）

Abstract：""Heavy metal-containing wastewater is a type of industrial effluent that is difficult to manage treat and causes significant environmental contamination. The approach of introducing flocculants for chemical flocculation and then filtering via activated carbon was utilized to treat simulated wastewater containing heavy metal ions such as Fe， Co， Mn， Ag， and others. The effects of activated carbon types and pH values on heavy metal element removal efficiency in simulated wastewater were investigated. The experimental results showed"that the finer the activated carbon particles and the lower the iodine value， the better the heavy metal removal impacteffect; this flocculant may be employed used throughout a wide pH range and in the presence of high boric acid concentrations. The chemical flocculation and activated carbon adsorption filtration method is a cost-effective and efficient approach for treating heavy metal-containing industrial wastewater.

Key words：""Flocculation; "Activated carbon; "Adsorption; "Heavy metals; "Wastewater