活性炭吸附法在电镀废水处理中的应用

摘要：采用活性炭吸附法处理含铬电镀废水，研究活性炭吸附效率及工况参数，得到在一定条件下的吸附较佳PH值、吸附平衡时间、吸附等温方程式及穿透曲线，用氢氧化钠溶液再生处理活性炭能得到很好的效果。

在工业生产中，电镀是必不可少的环节，随着电镀业的迅猛发展，大量的电镀废水对人类环境造成越来越严重的危害。在含铬电镀废水中，含有大量铬（VI）及少量的金属阳离子和阴离子，如不经处理直接排放，将造成严重的水环境污染。对含铬废水处理，目前主要采用生物法、离子交换法、化学还原法、电解法、化学沉淀法、电渗析法和吸附法。其中吸附法因操作简单、投资省、处理效果好而被较多应用。

本实验综合静态法和动态法，在大量实验研究的基础上，得出处理的较佳工艺条件；吸附PH＜4，吸附平衡时间5h，吸附等温方程q=9.95C0.362，吸附容量0.347L废水/g活性炭，活性炭再生以20%氢氧化钠溶液浸泡3h。

1 实验部分

1.1 实验原理

1.1.1 化学吸附

活性炭具有的性质就是在活性炭表面上存在大量的含氧基因，如羟基—OH、甲氧基—OCH₃（在制造时引入）等，不单纯是游离碳，而是含碳量多，分子量大的有机分子凝聚体，基本上属于苯核的各种衍生物。当PH=3~4时，由于上述含氧基因的存在，使微晶分子结构产生了电子云，由氧向苯核中碳原子方向偏移，使羟基上的氢具有较大的静电引力（正电引力），因而能吸附Cr2072-或Cr2042-等负离子，形成了一个相对稳定的结构，即：RC-OH+Cr₂O^2-₇→RC-O...H⁺...Cr₂O^2-₇

结构式中的箭头表示电子云密度移动的方向，可见活性炭对Cr⁶⁺有明显的吸附效果。

活性炭对铬除有吸附作用之外，还有还原作用。在酸性条件下（PH＜3），活性炭可将吸附在表面的Cr⁶⁺还原为Cr³⁺，其反应式是：

3C+4CrO42-+2OH⁺→3CO₂↑+4Cr³⁺+10H₂O

1.1.2 物理吸附

活性炭具有非常多的微孔结构和巨大的比表面积，通常1g活性炭的表面积达700~1700m²，因而具有很强的物理吸附力，能有效地吸附废水中的六价铬离子（Cr⁶⁺）。

1.2 实验材料与装置

1.2.1 实验废水

本实验所用废水取自某机械厂电镀废水，其水质主要成分见表1。

表1 废水成分

项目	指标（mg/L）
Cr6+	270-300
Fe2+、Fe3+	0.21-0.28
Ni2+	0.10-0.23
PH	2.4-3.0

1.2.2 仪器与试剂

7200型分光光度计、电子天平、振荡器、活性炭（颗粒和粉状）、重铬酸钾、硫酸、氢氧化钠。

1.2.3 吸附柱

如图1所示，采用小型玻璃柱（φ=40mm，h=300mm）加入一定量活性炭，充当固定床层，控制废水流量，使废水通过布水器均匀通过床层，进行常压过滤吸附，收集不同时间滤出液，测定其中铬含量，其测定方法采用二苯碳酰二肼分光光度法。

2 结果与计论

2.1 PH值对处理效果的影响

先用去离子水从吸附柱上端注入，将活性炭滤层完全湿润。用0.5%H₂SO₄溶液和0.5的NaOH溶液调节废水PH分别为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0，让其分别通过活性炭吸附柱，每两次操作之间用去离子水清洗。取流出液，测定其Cr⁶⁺含量，与废水中原Cr⁶⁺含量比较，得到不同的去除效率，如图2所示。

由图2可以得出，PH值控制在少于4的酸性范围，含铬废水中有大量的Cr2072-离子，在较强的酸性条件下，和活性炭的有效吸附成分形成较为稳定的化合物；随着PH值加大，水溶液中OH ^-浓度加大，加大了化合物的离解度，降低了活性炭对Cr⁶⁺的吸附，本实验确定吸附较佳PH＜4。

2.2 吸附平衡时间测定

在盛有含铬废水25ml的三角瓶中，加入相同量（0.8g）的活性炭（粉末），调节PH=2.5，置于振荡器上，分别振荡1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0h，测定上层清液Cr⁶⁺含量，结果如图3。

对于废水处理中的吸附，发生在液固相界面上，且属多层物理吸附，随吸附时间加大，吸附过程更加充分，Cr⁶⁺去除率逐渐加大，至5h后，吸附层达到饱和，吸附和解吸速度达到平衡，Cr⁶⁺去除率不再加大，本实验测定吸附平衡时间为5h。

2.3 吸附等温线

在盛有含铬废水25ml的三角瓶中，分别加入不同量的活性炭（粉末），调节PH=2.5。置于振荡器上振荡5h，测定上层清液Cr⁶⁺含量，作活性炭用量与Cr⁶⁺去除率关系曲线，见图4。

再作单位活性炭的吸附量q与上层清液Cr⁶⁺含量C的对数关系曲线，即为吸附等温线，见图5，其中q表示单位质量活性炭可吸附Cr⁶⁺的量（mg/L），C表示振荡后清液Cr⁶⁺含量（mg/L）。

在中等压力范围内，静态法吸附符合Freundlich方程，k表示一定温度下，废水中Cr⁶⁺为单位浓度时，单位质量活性炭的吸附量；n表示吸附过程的难易程度。本实验得出活性炭吸附含铬电镀废水的Freundlich方程为q=9.95C0.362。

2.4 穿透曲线的测定

采用颗粒状活性炭柱，粒度30~50目，活性炭用量22.5g，废水浓度为34.5mg/L，PH=2.50，过滤吸附时间20h，废水流量控制为10m1/min，测定滤出液中Cr⁶⁺含量，穿透曲线见图6、图7。

曲线图6、图7可以得出，当吸附时间t=13h时，Cr⁶⁺去除率为86.5%，t=14h时，去除率为74. 7%，t=15h时，去除率下降至58.1%。实验测得颗数炭动态吸附容量为0.346L废/g活性炭，相当于每克活性炭吸附11.95mg Cr⁶⁺。

2.5 活性炭再生

活性再生常采用加热、酸浸泡、碱浸泡等方式。

本法采用碱处理再生活性炭。其原理为：当溶液的PH＞6时，原活性炭表面的吸附位置全被OH^-夺取，活性炭对Cr⁶⁺的吸附明显下降，甚至不吸附。反应式为：

吸附：RC-OH+Cr₂O^-2₇→RC→O...H⁺...Cr₂O^-2₇

解吸（PH＞6）：RC-OH+OH^-→RC→O...H⁺...OH^-

实验结果如表2所示：

表2 活性炭再生处理

再生方法	再生时间（h）	去除率（%）
20%NaOH浸泡	2	81.4
	3	84.2
	4	84.3
	5	84.2

3 结论

经过实验得出较佳工艺条件为：PH＜4；平衡吸附时间为5h；吸附等温方程式q=9.95C0.362；穿透时间为13h；吸附容量0.346L废水/g活性炭，相当于11.95mgCr⁶⁺/g活性炭，可用20%NaOH再生活性炭，可取得较满意的效果。