木质素处理工业含铬废水的实验研究

时间：2024-07-28

向浩汪博文邢晶梁小月王代芝

湖北师范大学城市与环境学院 (湖北黄石 435002)

近年来，全国各地铬污染事件频繁出现，治理铬毒污染的工作引起广泛的重视。铬是一种不活泼金属，而六价铬（Cr6+）很容易被人体吸收，它可通过消化道、呼吸道、皮肤及黏膜侵入人体。过量铬的摄入不仅对人体有害，而且还污染环境。其中六价铬的危害比三价铬更大，可能造成遗传性基因缺陷，吸入可能致癌、肺充血等[1]。

重金属铬及其化合物在产业中具有很高的利用价值，成为某些行业的必需原料，如冶金、电镀、印染、染料、制革等行业，但同时也产生大量的含铬废水，导致水体的污染和环境的破坏，直接威胁到人类的生命健康和水生动物的生殖繁衍[2]。

目前含铬废水的处理方式主要有化学沉淀法、电解还原法、生物法、离子交换法、吸附法等[3]。由于吸附法具有高效、易于操作、成本低廉的特点，在废水处理方面得到了广泛应用[4]。

木质素是一种来源丰富、价格低廉且无毒性的可再生资源。制浆造纸工业废水中常含有大量木质素，对其进行回收、改性，制成改性木质素产品，既可有效解决造纸废水的环境污染问题，又能将其变废为宝，产生经济效益[5-6]。

1 实验部分

1.1 药品与仪器

药品：丙酮、硫酸、氢氧化钠、重铬酸钾、二苯碳酰二肼，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；木质素磺酸钙，山东优素化工科技有限公司。

仪器：可见分光光度计，上海元析仪器有限公司；THZ-82恒温振荡器，常州国华电器有限公司；混凝试验搅拌仪器，武汉市梅宇仪器有限公司；SHZ-D(Ⅲ)电子天平，上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.2 实验废水

实验废水为模拟工业废水，其pH约为6，废水中Cr6+的质量浓度为6 mg/L。用木质素对废水进行吸附处理，用二苯碳酰二肼分光光度法测定废水中的Cr6+含量。

1.3 Cr6+标准曲线的绘制

向一系列100 mL的比色管中分别加入0，0.20，0.50，1.00，2.00，4.00，8.00 和 10.00 mL 铬标准溶液，用蒸馏水稀释至100 mL；各加入0.5 mL硫酸溶液和0.5 mL磷酸溶液，摇匀，再加入2 mL显色剂，摇匀；放置10 min后，以蒸馏水为参比，在540 nm波长处，用光程10 mm的比色皿测定吸光度。以吸光度为纵坐标，Cr6+质量浓度为横坐标，绘制标准曲线，如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 反应时间对废水处理效果的影响

图1 铬离子的标准曲线

向5个250 mL的烧杯中各加入100 mL废水以及 0.5 g 木质素，分别处理 2，4，6，8 及 10 min，取 10 mL上层清液，放置10 min后，以蒸馏水为参比，测定吸光度。以Cr6+去除率为纵坐标，时间为横坐标，绘制曲线，如图2所示。

图2 反应时间对废水处理效果的影响

由图2可以看出，反应时间在2～6 min之间，Cr6+去除率呈上升趋势，随着反应时间的延长，Cr6+去除率变得缓慢下降。这是因为：在反应初期，Cr6+的质量浓度较大，Cr6+在溶液中扩散以及在空隙中扩散的推动力的作用也比较大，并且木质素表面有很多裸露的基团，可以快速吸附Cr6+，因此反应初期Cr6+去除率快速上升；但随着反应的进行，溶液中的Cr6+质量浓度逐渐变小，木质素表面的基团也逐渐饱和，所以随着反应时间的延长，Cr6+去除率逐渐下降。处理时间在5～8 min之间时，Cr6+去除效果较好。考虑到时间因素，后续实验的处理时间均选用5 min。

2.2 木质素的用量对废水处理效果的影响

分别称取 0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 及 1.2 g 木质素置于6个250 mL的烧杯中，各加入100 mL废水，处理5 min后，取10 mL上层清液，以蒸馏水为参比，测定吸光度。以Cr6+去除率为纵坐标，木质素质量为横坐标，绘制曲线，如图3所示。

图3 木质素的用量对废水处理效果的影响

由图3可以得出：在其他条件不变的情况下，随着木质素投加量的增加，Cr6+的去除率不断增大；当木质素用量为0.6 g左右时，Cr6+的去除率处于最大值；当木质素用量大于0.6 g后，Cr6+的去除率逐步下降。这是因为：Cr6+质量浓度不变，木质素投加量的增加使较多的吸附基团裸露，导致溶液中的Cr6+被快速去除。在Cr6+质量浓度不变、木质素用量较少的情况下，单位质量木质素的吸附容量大。当有过多的木质素加入时，在有限的Cr6+质量浓度下，木质素之间将会产生竞争，并且木质素具有较强的黏性，过多的木质素可能在溶液中产生絮凝物，导致吸附效果下降。由图3可见，在木质素用量为0.005～0.006 g/mL时，Cr6+的处理效果较好。综合考虑，确定后续实验木质素的用量均为0.005g/mL。

2.3 废水pH对处理效果的影响

向7个250 mL的烧杯中各加入100 mL废水，然后调节其 pH 分别为3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，9.0，再各加入0.5 g木质素，处理5 min后，取10 mL上层清液，放置10 min后，以蒸馏水为参比，测定吸光度。以Cr6+去除率为纵坐标，pH为横坐标，绘制曲线，如图4所示。

图4 pH对废水处理效果的影响

由图4可以看出：在一定pH范围内，木质素对Cr6+的去除率随着pH的升高而下降不明显；当pH在4～8之间时去除率趋于稳定，pH大于8之后去除率逐渐下降；Cr6+的去除率总体上呈现出下降的趋势。这是因为：在强酸性环境下，Cr6+主要以HCrO-、Cr2O72-或者CrO42-阴离子状态存在。由于溶液pH影响木质素表面的质子化过程，而质子化程度又与吸附效果紧密相连，因此酸性条件下有利于Cr6+的吸附。图4显示废水处理的最佳pH小于4，但pH越低，对设备的要求越高，综合考虑，废水处理较适宜的 pH 为 4～8。

2.4 废水温度对处理效果的影响

向6个250 mL的烧杯中各加入100 mL废水，再各加入0.5 g木质素，然后放入恒温振荡仪，将溶液温度分别调节到 15，20，25，30，35 及 40℃，处理5 min后，取10 mL上层清液，放置10 min后，以蒸馏水为参比，测定吸光度。以Cr6+去除率为纵坐标，温度为横坐标，绘制曲线，如图5所示。

图5 温度对废水处理效果的影响

由图5结果可以看出，在一定范围内，温度对木质素吸附去除Cr6+的影响较小。在15～40℃范围内，Cr6+的去除率维持在70%左右。可见，用木质素处理含Cr6+废水时对温度没有特殊要求，在常温下即能达到较好的处理效果。

2.5 废水Cr6+质量浓度对处理效果的影响

配制 Cr6+质量浓度为 2，4，6，8，10 和 12 mg/L 的废水，并分别量取100mL置于6个250 mL的烧杯中，各加入0.5 g木质素，处理5 min，取10 mL上层清液，放置10 min后，以蒸馏水为参比，测定吸光度。以Cr6+去除率为纵坐标，废水Cr6+质量浓度为横坐标，绘制曲线，如图6所示。

图6 废水Cr6+质量浓度对处理效果的影响

实验过程中废水质量浓度不够精确，但误差在允许的范围内，因此结果可靠。由图6可以看出：在其他反应条件不变的情况下，废水Cr6+质量浓度从2.2 mg/L逐渐增加到6 mg/L，Cr6+去除率从53%增加到70.5%；废水Cr6+质量浓度从6 mg/L增加到10.5 mg/L时，Cr6+去除率逐渐减小。这是因为：随着Cr6+质量浓度的增加，木质素的活性位点被越来越多的游离Cr6+所包围。当溶剂中无更多木质素的补充时，相对有限的活性位点不足以为更多的Cr6+吸附提供便利条件，木质素吸附达到饱和，使得Cr6+的进一步去除变得困难，因此Cr6+的去除率会逐渐降低。

综上所述，木质素吸附Cr6+时的最佳质量浓度为6 mg/L，也说明该方法只能用于低Cr6+质量浓度的含铬废水。