ZSM-5沸石分子筛吸附模拟含铬废水的研究

（辽宁工业大学化学与环境工程学院，辽宁 锦州 121001）

天然水中很少含有铬，但如电镀、冶金、化工生产、火柴、制药、照相、制革等工业生产，因大量使用含铬化合物，造成了严重的土壤和水体污染。六价铬能够导致癌症，损害人体的肾脏、肝脏和胃等器官[1，2]。因此，如何有效治理含六价铬的废水，减少环境污染，具有重要的现实意义。吸附法经常被用于去除水中的六价铬[3～6],与传统的吸附剂相比较，ZSM-5沸石分子筛孔容积和空隙率较大，具有较强的吸附能力。因此本文选用ZSM-5沸石分子筛作为吸附剂，研究其对水中六价铬的吸附性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

正硅酸乙酯，四丙基氢氧化铵，偏铝酸钠，铬酸钾，氢氧化钠，硫酸，均为分析纯；实验用水均为去离子水。由常州华冠仪器制造有限公司生产的SHA-CA水浴恒温振荡器；由上海精密科学仪器有限公司生产的UV757CRT721型紫外可见分光光度计。

1.2 ZSM-5的合成与表征

用电子天平称取0.29 g偏铝酸钠置于锥形瓶中，加入21 mL蒸馏水搅拌溶解后，再加入15 mL四丙基氢氧化铵至透明，最后缓慢加入11.2 mL正硅酸乙酯，搅拌约5 h得一清液，将此清液转入聚四氟一些反应釜中于160℃水热晶化140 h，晶化结束后将产物过滤、洗涤、干燥、550℃马弗炉焙烧后，所得白色粉末即为ZSM-5。所得ZSM-5沸石分子筛的XRD谱图如图1所示，所得材料为典型的ZSM-5沸石分子筛图谱。

图1 ZSM-5沸石分子筛的XRD谱图

1.3 吸附实验

将称取的0.0500 g铬酸钾固体，用去离子水溶解，转移至1000 mL容量瓶中，定容，此模拟废水的质量浓度为50 mg/L，摇匀后静置一段时间。量取一定体积的含铬模拟废水，放置于锥形瓶中，加入一定量的ZSM-5，并处于一定的pH值，然后置于恒温振荡器中，震荡一定时间后将上层清液取出，在540 nm处采用紫外可见分光光度计分析铬酸钾的含量。通过下列公式计算去除率（E）：

式中：Co—起始的铬酸钾质量浓度，mg/L；Ce—吸附后铬酸钾剩余质量浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 吸附时间对吸附的影响

取5个锥形瓶分别加入50 mL模拟废水（Co=50 mg/L），并分别加入ZSM-5沸石分子筛0.40 g，pH值为6.0，设置震荡器的温度为25℃，震荡时间分别为 30 min、40min、60 min、90 min、120 min，然后放入离心机中进行分离，将离心后的液体取出测量其吸光度。根据公式（1）计算铬酸钾的去除率。吸附时间与去除率的关系曲线见图2。

图2 吸附时间对吸附铬酸钾的影响

由图2可见，随着吸附时间的延长，铬酸钾的去除率逐渐升高，到60 min时去除率达到87.20%。这是由于废水中的铬酸钾初始浓度大，ZSM-5沸石分子筛吸附点位周围有很高浓度的铬酸钾，吸附速率大于解吸速率，去除率逐步上升，吸附时间超过60 min后，基本达到吸附平衡，废水中铬酸钾的浓度变化不大，去除率趋于稳定。

2.2 吸附剂用量对吸附的影响

取5个锥形瓶瓶分别加入50mL模拟废水（Co=50 mg/L），向其中分别加入 0.2、0.4、0.5、1.0g、1.5 的ZSM-5沸石分子筛，设置震荡器的温度为25℃，震荡时间为60min，pH值为6.0。然后放入离心机中进行分离，取出离心后的液体并测量其吸光度。由公式⑴计算去除率，结果见图3。

图3 吸附剂用量对吸附的影响

由图3可见，铬酸钾的去除率随着吸附剂使用量的增加而逐渐升高，当吸附剂用量为0.5 g时，铬酸钾的去除率的达到89.42%，继续增大吸附剂用量，去除率变化不大。这是由于在溶液浓度一定时，吸附剂用量少，吸附的活性位少，使得铬酸钾的去除率也较低，随着吸附剂使用量的逐渐增加，吸附活性位也增多，去除率也逐渐增大，但是当吸附剂为0.5 g时，吸附活性位已经足够多，能够对50 mg/L的铬酸钾进行很好的吸附，此时吸附几乎已经达到平衡，再继续增加吸附剂用量，对吸附效果影响不大。所以对50 mg/L的铬酸钾溶液，最佳的吸附剂用量为0.5 g。

2.3 温度对吸附的影响

取5个锥形瓶分别加入50 mL模拟废水（Co=50 mg/L），并分别加入ZSM-5沸石分子筛0.50 g，在恒温振荡器中震荡时间为60 min，pH值为6.0，调节振荡器的温度为 25、30、35、40、45、50 ℃，然后放入离心机中进行分离，将离心后的液体取出测量其吸光度。根据公式（1）计算铬酸钾的去除率。吸附温度与去除率的关系曲线见图4。

由图4可知，随着温度的升高，在30℃时，吸附效果最好，去除率达到最大，继续升高温度，去除率反而下降，这可能与ZSM-5沸石分子筛对铬酸钾的吸附方式有关，刚开始可能主要是化学吸附，所以吸附速率随着温度的升高而加快，之后，物理吸附占主导地位，所以随着温度的升高吸附性能降低。

图4 吸附温度对吸附的影响

2.4 pH值对吸附的影响

分别取50 mL质量浓度为50 mg/L的模拟废水，置于6个锥形瓶中，用1 mol/L的硫酸和1 mol/L的氢氧化钠调节，控制溶液pH值分别为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0，加入 0.5 gZSM-5 沸石分子筛，设置震荡器的温度为30℃，震荡时间为60min，然后放入离心机中进行分离，测量离心分离后液体的吸光度。由公式（1）计算去除率，图5表示pH值与去除率的关系曲线。

图5 pH值对铬酸钾吸附的影响

由图5可以看出，ZSM-5沸石分子筛的吸附性能会受到铬酸钾溶液的pH值影响。去除率最大处对应的溶液pH值为5.0。ZSM-5沸石分子筛吸附水中六价铬离子，实质是吸附水中的。由于带负电荷，当pH值增加时，溶液中的OH-增加。发生竞争吸附，从而影响的吸附。而当pH值降低时，溶液中的H+增加，抑制OH-的产生，从而促进了吸附的进行。但酸性过高，ZSM-5沸石分子筛的吸附点位可能被多余的H+占据，吸附铬酸钾的量反而减少，去除率降低。

3 结论

3.1 ZSM-5沸石分子筛合成过程简单易行，处理含六价铬废水操作简单，吸附效果好，应用前景广阔。

3.2 ZSM-5沸石分子筛吸附废水中的六价铬的最佳条件如下：吸附温度为30℃，吸附时间为60 min，铬酸钾溶液pH值为5，吸附剂用量为0.5 g。此时，去除率达到了93.46%。

[1]邹照华，何素芳，韩彩云，等.重金属废水处理技术研究进展[J].工业水处理，2010,30（5）：9-12.

[2]郭轶淳，宋丽.重金属废水污染及其治理技术进展[J].广东化工，2010,38（4）：18-20.

[3]黄君涛，熊帆，谢伟立，等.活吸附法处理重金属废水研究进展[J].水处理技术，2006,32（2）：9-12.

[4]吴胜举，李风亭，张冰如.介孔吸附剂在水处理中的应用研究进展[J].工业水处理，2010,30（4）：1-8.

[5]陈冠兰，陈银广.低成本生物材料吸附六价铬研究进展[J].水处理技术，2008,34（12）：7-10.

[6]曹春艳.改性膨润土吸附处理含六价铬废水的研究[J].化学工程师，2008（,10）：43-45.