速溶茶渣处理含铬(Ⅵ)离子废水研究

速溶茶渣处理含铬(Ⅵ)离子废水研究

王巧玲,敖晓奎

(长沙环境保护职业技术学院,湖南长沙 410004)

文章以含常见且毒性较强的含铬(Ⅵ)废水为样,研究速溶茶渣对中低浓度含铬废水吸附作用。结果表明,速溶茶渣吸附废水中铬(Ⅵ)离子效果依赖于多种因素,并确定了速溶茶渣对废水中铬(Ⅵ)离子的吸附规律。速溶茶渣对实际废水中铬(Ⅵ)离子有较好的吸附效果。

速溶茶渣;铬(Ⅵ)离子;处理;废水

随着经济迅猛发展所带来的工业“三废”排放及酸雨的影响,各类水环境中重金属污染日趋加剧已成为不争事实。重金属进入水生生态系统后,分布于水生生态系统的各个组分中,对生态系统各组分产生影响(即生态效应)。当生物体内重金属积累到一定数量后,就会出现受害症状,生理受阻、发育停滞,甚至死亡,使整个水生生态系统结构、功能受损、崩溃[1～5]。目前修复治理水体重金属污染的研究成为世界各国开展的研究热点之一。众多学者认为生物修复法的发展前景最为广阔,是一种修复最为彻底的方法,而植物修复法是三种常用生物修复法之一。

近年研究表明,茶叶、茶残渣对水溶液中的部分重金属离子有良好的吸附作用[6],但用茶叶做吸附剂成本太高,茶残渣又难以收集,给处理废水时造成很大不便,而速溶茶厂每年会产生大量速溶茶渣,而含铬(Ⅵ)废水是一种常见且毒性较强的工业废水,由此本文进行了用速溶茶渣这种天然可再生废物吸附处理含铬(Ⅵ)离子废水研究。该研究既望解决废水处理剂原料的来源问题及茶厂的茶渣废弃物的处理问题,又为含铬(Ⅵ)离子废水的净化提供一种环境友好式的处理方法,对于治理水体环境铬(Ⅵ)离子污染、创建“两型”社会具有重要意义。主要试剂有重铬酸钾、硝酸、氢氧化钠、硫酸亚铁铵、硫酸汞、邻菲啉、硫酸亚铁、硫酸、硝酸等;化学试

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验主要原料为取自某公司的速溶绿茶茶渣;剂均为分析纯;主要仪器设备有分析天平、美国瓦里安AA240FS原子吸收光谱仪、恒温振荡器、磁力搅拌器、植物粉碎机、WMX-IIIA型微波闭式CODCr消解仪、聚四氟乙烯消解罐、半微量滴定管以及烧杯、锥形瓶、漏斗等试验室常用仪器。

1.2 试验方法

1.2.1 铬(Ⅵ)离子初始浓度和加入的茶渣量对吸附效果的影响

根据《污水综合排放标准》(GB8978-1996)规定,六价铬金属离子的最高允许排放浓度分别为0.5 mg/L,总铬的排放浓度为1.5 mg/L。本试验主要研究速溶茶渣对废水中中低浓度的铬离子的吸附效果,故在试验时金属离子吸附前的浓度采用其允许排放浓度的5～100倍。在研究废水的初始浓度和茶渣量对吸附的影响时,六价铬的初始浓度分别为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:在不同浓度的废水中加入不同质量的速溶茶渣,最终通过原子吸收光谱测定速溶茶渣对各种重金属离子的吸附率。

配制上述六种不同浓度的重铬酸钾溶液(pH约为7.0±0.2)50 mL五份,分别在其中0.1 g、0.3 g、0.5 g、0.7 g、1.0 g的速溶茶渣进行静置、密封吸附试验,吸附时间控制为5 h、温度为20℃,之后过滤,并用30 mL去离子水冲洗速溶茶渣,定容后,用原子吸收光谱测定滤液中铬离子的浓度,并计算出吸附率。

1.2.2 废水的pH、温度和浸泡时间对吸附性能的影响

采用正交试验法研究废水的pH、温度和浸泡时间三种因素对吸附效果的影响时,选取3因素、6水平,试验因素水平列于表1。试验时铬离子的初始浓度和所加的茶渣量分别为15.0 mg/L和1.0 g,原因是在上述初始浓度和茶渣量时对金属离子有较高的吸附率。在静置、密封吸附后,过滤速溶茶渣,用原子吸收光谱测定滤液中铬的浓度,最终计算出吸附率。

表1 正交试验因素水平表

1.2.3 茶叶渣粒径对吸附效果的影响

取6份50 mL、50.0 mg/L铬离子溶液,分别加入不过筛、过20目(-20目)、40目、60目、80目和100目筛的速溶茶渣各0.5 g进行静置、密封吸附试验。试验条件:铬离子溶液pH为6,吸附温度为40℃,吸附时间为5 h。吸附后用原子吸收光谱测定金属离子浓度,并计算其吸附率。

1.2.4 吸附方式的选择

分别用静止、振荡和磁力搅拌的浸泡方式处理茶叶渣对铬离子的吸附,震荡时选择100 r/min和200 r/min两种不同速度、搅拌时选择100 r/min和200 r/min两种速度进行试验。铬离子溶液初始浓度为50.0 mg/L,茶叶渣(未过筛)的加入量为0.5 g,试验条件控制:pH为6,温度为40℃,反应时间为5 h。

1.2.5 实际水样的处理与应用

为了考察实际应用情况,在人工配制的水样取得良好的吸附效果后,本研究采集了含铬离子的实际废水样,进行了应用基础研究,以检测上述茶叶渣吸附剂对实际废水的处理效果。

取某厂电镀废水为试验水样,水样水质指标列于表2。取水样100 mL,加入速溶茶渣1.0 g,在40℃下以200 r/min的速度搅拌5 h。然后过滤,测定滤液中铬离子浓度,计算吸附率;测定滤液的 pH和 COD。在测定COD时因使用的是重铬酸钾法,而水样中也含有铬离子,故在测定时应先排除水样中铬离子的干扰(用硫酸亚铁铵)。

表2 水样水质分析结果表

2 结果与分析

2.1 铬(Ⅵ)离子初始浓度和加入的茶渣量对吸附率的影响结果

铬废水的初始浓度和茶渣量对吸附率的影响如图1所示。试验结果表明,相同初始浓度下,吸附率随着速溶茶渣加入量的增加而增大;加入等量速溶茶渣对不同浓度的铬离子废水其吸附规律极其相似,在六种不同浓度的铬离子溶液中加入等量的速溶茶渣其吸附率均出现了两次极小值(出现两次极值的原因尚不明确,可能与茶渣对铬离子的化学吸附机理有关),此时的铬离子浓度一处约为10.0 mg/L、另一处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范围内。

图1 铬离子浓度和加入茶渣量对吸附率的影响

2.2 pH、温度和浸泡时间对吸附性能的影响结果

正交试验设计及试验结果(铬)列于表3。

正交试验结果表明,不同的因素对铬的吸附效果有不同的影响行为。对铬的R值:B＞A＞C,温度是最重要的影响因素,pH其次,时间的影响最小。

表3显示,pH对铬的影响随着pH的增加其吸附率呈现下降趋势,且k值变化大,最大k2达到68.27%,而最小的k5仅为20.24%;温度的升高有利于吸附率的提高,温度的k1只有22.28%,k2则可达70.57%;表中可以看出,pH和温度的R值(分别为48.03%和48.29%)几乎是相等的,说明这两种因素对铬的吸附影响同等重要;铬的最佳吸附条件为:A2B6C4。

表3 正交试验设计及试验结果(铬)

2.3 茶叶渣粒径对吸附效果的影响

茶叶渣粒径对吸附效果的影响试验结果如图2所示。从图2可以看出:速溶茶渣对铬离子的吸附率随着速溶茶渣粒径的减小而增大,但与速溶茶渣的粒径关系不大,最大与最小的吸附率相差仅为1.4%。

图2 吸附率与速溶茶渣粒径的关系

2.4 吸附方式的影响结果

吸附反应后过滤速溶茶渣,用原子吸收光谱测定滤液的浓度,算出最终的吸附率,吸附率与吸附方式的关系如图3所示。

图3 吸附率与吸附方式的关系

图3显示,无论静置吸附,还是振荡、搅拌吸附,速溶茶渣对铬的吸附率变化很小,由此可见,处理方式对铬的吸附效果几乎不受影响。

2.5 应用基础结果

废水经过速溶茶渣的吸附作用后,水质变化列于表4。从表中数据可以看到,铬离子的浓度从32.8 mg/L下降到13.0 mg/L,速溶茶渣对实际水样体现了良好的吸附能力。

表4 吸附处理后水样水质

由表4可知,吸附后,水样的COD有略微的升高,可能有以下两个原因:(1)速溶茶渣中物质(有机物)的溶出,导致了水样COD的升高;(2)速溶茶渣作为一种优良的吸附剂,对COD又有一定的去除作用。最终茶渣中带来的COD稍大于速溶茶渣对水样去除的COD,使得水样的COD略有升高。COD升高部分主要来自于茶渣中可溶有机物的贡献,采用常规的活性污泥法很容易降解,因此,在工业应用中可以采用茶渣吸附物化法结合活性污泥法(如好氧曝气)处理含铬离子的废水,可以同时去除废水中的铬离子和有机物。

3 结 论

本文研究了速溶茶渣对废水中铬(Ⅵ)离子的吸附性能规律,通过对铬离子初始浓度、吸附时加入速溶茶渣量、溶液pH、吸附温度、吸附时间、速溶茶渣粒径等因素对速溶茶渣吸附效果的影响及废水处理实际应用等试验,得出如下结论:

1.相同初始浓度下,吸附率随着速溶茶渣加入量的增加而增大;加入等量速溶茶渣对不同浓度的铬离子废水吸附规律极其相似,在六种不同浓度的铬离子溶液中加入等量的速溶茶渣其吸附率均出现了两次极小值。

2.正交试验研究废水的pH、温度和浸泡时间对铬离子吸附的影响表明温度是最重要的影响因素, pH其次,时间的影响最小。

3.速溶茶渣对铬的吸附与速溶茶渣的粒径关系不大,对铬的吸附效果几乎不受处理方式的影响。

4.速溶茶渣对实际水样有良好的吸附能力,但吸附后水样的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

中华环境保护基金会TOT0水环境资金;湖南省环保厅环境科技发展项目资金

王巧玲(1971-),女,教授,主要从事环境工程教学与研究工作。

2010-02-27