速溶茶渣處理含鉻(Ⅵ)離子廢水研究

王巧玲,敖曉奎

(長沙環(huán)境保護職業(yè)技術學院,湖南長沙 410004)

文章以含常見且毒性較強的含鉻(Ⅵ)廢水為樣,研究速溶茶渣對中低濃度含鉻廢水吸附作用。結果表明,速溶茶渣吸附廢水中鉻(Ⅵ)離子效果依賴于多種因素,并確定了速溶茶渣對廢水中鉻(Ⅵ)離子的吸附規(guī)律。速溶茶渣對實際廢水中鉻(Ⅵ)離子有較好的吸附效果。

速溶茶渣;鉻(Ⅵ)離子;處理;廢水

隨著經濟迅猛發(fā)展所帶來的工業(yè)“三廢”排放及酸雨的影響,各類水環(huán)境中重金屬污染日趨加劇已成為不爭事實。重金屬進入水生生態(tài)系統(tǒng)后,分布于水生生態(tài)系統(tǒng)的各個組分中,對生態(tài)系統(tǒng)各組分產生影響(即生態(tài)效應)。當生物體內重金屬積累到一定數量后,就會出現受害癥狀,生理受阻、發(fā)育停滯,甚至死亡,使整個水生生態(tài)系統(tǒng)結構、功能受損、崩潰[1～5]。目前修復治理水體重金屬污染的研究成為世界各國開展的研究熱點之一。眾多學者認為生物修復法的發(fā)展前景最為廣闊,是一種修復最為徹底的方法,而植物修復法是三種常用生物修復法之一。

近年研究表明,茶葉、茶殘渣對水溶液中的部分重金屬離子有良好的吸附作用[6],但用茶葉做吸附劑成本太高,茶殘渣又難以收集,給處理廢水時造成很大不便,而速溶茶廠每年會產生大量速溶茶渣,而含鉻(Ⅵ)廢水是一種常見且毒性較強的工業(yè)廢水,由此本文進行了用速溶茶渣這種天然可再生廢物吸附處理含鉻(Ⅵ)離子廢水研究。該研究既望解決廢水處理劑原料的來源問題及茶廠的茶渣廢棄物的處理問題,又為含鉻(Ⅵ)離子廢水的凈化提供一種環(huán)境友好式的處理方法,對于治理水體環(huán)境鉻(Ⅵ)離子污染、創(chuàng)建“兩型”社會具有重要意義。主要試劑有重鉻酸鉀、硝酸、氫氧化鈉、硫酸亞鐵銨、硫酸汞、鄰菲啉、硫酸亞鐵、硫酸、硝酸等;化學試

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗主要原料為取自某公司的速溶綠茶茶渣;劑均為分析純;主要儀器設備有分析天平、美國瓦里安AA240FS原子吸收光譜儀、恒溫振蕩器、磁力攪拌器、植物粉碎機、WMX-IIIA型微波閉式CODCr消解儀、聚四氟乙烯消解罐、半微量滴定管以及燒杯、錐形瓶、漏斗等試驗室常用儀器。

1.2 試驗方法

1.2.1 鉻(Ⅵ)離子初始濃度和加入的茶渣量對吸附效果的影響

根據《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)規(guī)定,六價鉻金屬離子的最高允許排放濃度分別為0.5 mg/L,總鉻的排放濃度為1.5 mg/L。本試驗主要研究速溶茶渣對廢水中中低濃度的鉻離子的吸附效果,故在試驗時金屬離子吸附前的濃度采用其允許排放濃度的5～100倍。在研究廢水的初始濃度和茶渣量對吸附的影響時,六價鉻的初始濃度分別為5.0 mg/L、10.0 mg/L、15.0 mg/L、20.0 mg/L、30.0 mg/L、50.0 mg/L。吸附方式采用直接浸泡吸附,即:在不同濃度的廢水中加入不同質量的速溶茶渣,最終通過原子吸收光譜測定速溶茶渣對各種重金屬離子的吸附率。

配制上述六種不同濃度的重鉻酸鉀溶液(pH約為7.0±0.2)50 mL五份,分別在其中0.1 g、0.3 g、0.5 g、0.7 g、1.0 g的速溶茶渣進行靜置、密封吸附試驗,吸附時間控制為5 h、溫度為20℃,之后過濾,并用30 mL去離子水沖洗速溶茶渣,定容后,用原子吸收光譜測定濾液中鉻離子的濃度,并計算出吸附率。

1.2.2 廢水的pH、溫度和浸泡時間對吸附性能的影響

采用正交試驗法研究廢水的pH、溫度和浸泡時間三種因素對吸附效果的影響時,選取3因素、6水平,試驗因素水平列于表1。試驗時鉻離子的初始濃度和所加的茶渣量分別為15.0 mg/L和1.0 g,原因是在上述初始濃度和茶渣量時對金屬離子有較高的吸附率。在靜置、密封吸附后,過濾速溶茶渣,用原子吸收光譜測定濾液中鉻的濃度,最終計算出吸附率。

表1 正交試驗因素水平表

1.2.3 茶葉渣粒徑對吸附效果的影響

取6份50 mL、50.0 mg/L鉻離子溶液,分別加入不過篩、過20目(-20目)、40目、60目、80目和100目篩的速溶茶渣各0.5 g進行靜置、密封吸附試驗。試驗條件:鉻離子溶液pH為6,吸附溫度為40℃,吸附時間為5 h。吸附后用原子吸收光譜測定金屬離子濃度,并計算其吸附率。

1.2.4 吸附方式的選擇

分別用靜止、振蕩和磁力攪拌的浸泡方式處理茶葉渣對鉻離子的吸附,震蕩時選擇100 r/min和200 r/min兩種不同速度、攪拌時選擇100 r/min和200 r/min兩種速度進行試驗。鉻離子溶液初始濃度為50.0 mg/L,茶葉渣(未過篩)的加入量為0.5 g,試驗條件控制:pH為6,溫度為40℃,反應時間為5 h。

1.2.5 實際水樣的處理與應用

為了考察實際應用情況,在人工配制的水樣取得良好的吸附效果后,本研究采集了含鉻離子的實際廢水樣,進行了應用基礎研究,以檢測上述茶葉渣吸附劑對實際廢水的處理效果。

取某廠電鍍廢水為試驗水樣,水樣水質指標列于表2。取水樣100 mL,加入速溶茶渣1.0 g,在40℃下以200 r/min的速度攪拌5 h。然后過濾,測定濾液中鉻離子濃度,計算吸附率;測定濾液的 pH和 COD。在測定COD時因使用的是重鉻酸鉀法,而水樣中也含有鉻離子,故在測定時應先排除水樣中鉻離子的干擾(用硫酸亞鐵銨)。

表2 水樣水質分析結果表

2 結果與分析

2.1 鉻(Ⅵ)離子初始濃度和加入的茶渣量對吸附率的影響結果

鉻廢水的初始濃度和茶渣量對吸附率的影響如圖1所示。試驗結果表明,相同初始濃度下,吸附率隨著速溶茶渣加入量的增加而增大;加入等量速溶茶渣對不同濃度的鉻離子廢水其吸附規(guī)律極其相似,在六種不同濃度的鉻離子溶液中加入等量的速溶茶渣其吸附率均出現了兩次極小值(出現兩次極值的原因尚不明確,可能與茶渣對鉻離子的化學吸附機理有關),此時的鉻離子濃度一處約為10.0 mg/L、另一處因加入的速溶茶渣量不同而略有不同但均在20.0～30.0 mg/L范圍內。

圖1 鉻離子濃度和加入茶渣量對吸附率的影響

2.2 pH、溫度和浸泡時間對吸附性能的影響結果

正交試驗設計及試驗結果(鉻)列于表3。

正交試驗結果表明,不同的因素對鉻的吸附效果有不同的影響行為。對鉻的R值:B＞A＞C,溫度是最重要的影響因素,pH其次,時間的影響最小。

表3顯示,pH對鉻的影響隨著pH的增加其吸附率呈現下降趨勢,且k值變化大,最大k2達到68.27%,而最小的k5僅為20.24%;溫度的升高有利于吸附率的提高,溫度的k1只有22.28%,k2則可達70.57%;表中可以看出,pH和溫度的R值(分別為48.03%和48.29%)幾乎是相等的,說明這兩種因素對鉻的吸附影響同等重要;鉻的最佳吸附條件為:A2B6C4。

表3 正交試驗設計及試驗結果(鉻)

2.3 茶葉渣粒徑對吸附效果的影響

茶葉渣粒徑對吸附效果的影響試驗結果如圖2所示。從圖2可以看出:速溶茶渣對鉻離子的吸附率隨著速溶茶渣粒徑的減小而增大,但與速溶茶渣的粒徑關系不大,最大與最小的吸附率相差僅為1.4%。

圖2 吸附率與速溶茶渣粒徑的關系

2.4 吸附方式的影響結果

吸附反應后過濾速溶茶渣,用原子吸收光譜測定濾液的濃度,算出最終的吸附率,吸附率與吸附方式的關系如圖3所示。

圖3 吸附率與吸附方式的關系

圖3顯示,無論靜置吸附,還是振蕩、攪拌吸附,速溶茶渣對鉻的吸附率變化很小,由此可見,處理方式對鉻的吸附效果幾乎不受影響。

2.5 應用基礎結果

廢水經過速溶茶渣的吸附作用后,水質變化列于表4。從表中數據可以看到,鉻離子的濃度從32.8 mg/L下降到13.0 mg/L,速溶茶渣對實際水樣體現了良好的吸附能力。

表4 吸附處理后水樣水質

由表4可知,吸附后,水樣的COD有略微的升高,可能有以下兩個原因:(1)速溶茶渣中物質(有機物)的溶出,導致了水樣COD的升高;(2)速溶茶渣作為一種優(yōu)良的吸附劑,對COD又有一定的去除作用。最終茶渣中帶來的COD稍大于速溶茶渣對水樣去除的COD,使得水樣的COD略有升高。COD升高部分主要來自于茶渣中可溶有機物的貢獻,采用常規(guī)的活性污泥法很容易降解,因此,在工業(yè)應用中可以采用茶渣吸附物化法結合活性污泥法(如好氧曝氣)處理含鉻離子的廢水,可以同時去除廢水中的鉻離子和有機物。

3 結 論

本文研究了速溶茶渣對廢水中鉻(Ⅵ)離子的吸附性能規(guī)律,通過對鉻離子初始濃度、吸附時加入速溶茶渣量、溶液pH、吸附溫度、吸附時間、速溶茶渣粒徑等因素對速溶茶渣吸附效果的影響及廢水處理實際應用等試驗,得出如下結論:

1.相同初始濃度下,吸附率隨著速溶茶渣加入量的增加而增大;加入等量速溶茶渣對不同濃度的鉻離子廢水吸附規(guī)律極其相似,在六種不同濃度的鉻離子溶液中加入等量的速溶茶渣其吸附率均出現了兩次極小值。

2.正交試驗研究廢水的pH、溫度和浸泡時間對鉻離子吸附的影響表明溫度是最重要的影響因素, pH其次,時間的影響最小。

3.速溶茶渣對鉻的吸附與速溶茶渣的粒徑關系不大,對鉻的吸附效果幾乎不受處理方式的影響。

4.速溶茶渣對實際水樣有良好的吸附能力,但吸附后水樣的COD略有升高。

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Studies on the Treatment of Chromium Ion by Instant Tea Dregs in Wastewater

WAGN Qiao-ling,AO Xiao-kui
(Changsha Environmental Protection College,Changsha410004,China)

In this paper,the adsorption of Chromium ion by instant tea dregs in common and toxic chromium(Ⅵ) wastewater with medium/low concentration of chromium was investigated.It is found that the adsorption of chromium(Ⅵ)ions in waste water by instant tea dregs depends on several factors and its characteristics is determined.Instant tea dregs display good adsorption effects of the actual wastewater Cr(Ⅵ)ions by optimalization.

instant tea dregs;Chromium ion;treatment;wastewater

X7

A

1003-5540(2010)02-0043-04

中華環(huán)境保護基金會TOT0水環(huán)境資金;湖南省環(huán)保廳環(huán)境科技發(fā)展項目資金

王巧玲(1971-),女,教授,主要從事環(huán)境工程教學與研究工作。

2010-02-27