硝酸活化花生壳处理含铬废水研究

张蔚萍，黄 源，胡庆华，杨期勇

（1.九江学院化学与环境工程学院，江西 九江 332005；2.江西省鄱阳湖生态经济研究中心，江西 九江 332005）

随着经济的飞速发展，含铬废水的排放量日益增长。含铬废水被排入天然水体，不仅对水生生物构成威胁，而且可能通过沉淀、吸附及食物链而不断富集，破坏生态环境，并最终危害到人类的健康。

传统的含铬废水处理方法有化学沉淀法、吸附法、离子交换法、电解法等［1－6］，但传统方法存在着诸多问题，如成本高、对于排放标准严格的水源保护区难以达标等。近年来，生物质材料作为吸附剂用于污水净化逐渐成为一个研究热点［7－12］，虽然生物质材料对污染物的吸附量比活性炭小，但由于生物质材料来源丰富、取材方便、价格低廉、用后不必再生，可直接处理，大大降低了重金属废水的处理费用，因而具有很好的应用前景［13－14］。

本文用硝酸对天然花生壳活化，将其应用于模拟含铬废水处理，运用正交试验法得到最优吸附条件，可以为化学活化花生壳处理含铬废水的研究及其应用提供基础数据。

1 实验

1.1 花生壳的活化

（1）天然花生壳预处理：将天然花生壳粉碎过筛（40目）后，用去离子水浸泡24h，滤干，最后在烘箱中于80℃下烘5h，冷却后装瓶备用。

（2）花生壳活化：将200g上述预处理后的花生壳粉加入到500mL的1mol／L的硝酸中，搅拌1h，滤干，用去离子水清洗，最后在烘箱中于80℃下烘5h，冷却后装瓶备用。

1.2 花生壳对Cr（VI）的吸附

1.2.1 实验试剂

（1）显色剂：称取二苯碳酰二肼（C13H14N4O）0.2 g，溶于50mL丙酮中，加水稀释至100mL，摇匀，贮于棕色瓶，置冰箱中。

（2）铬标准贮备液：称取于110℃干燥2h的重铬酸钾（K2Cr2O7分析纯）0.282 9±0.000 1g，用水溶解后移入1 000mL容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀。此溶液1mL含0.10mg六价铬（六价铬质量浓度为100mg／L）。

（3）铬标准使用液：使用当天配制，用铬标准贮备液稀释，配成所需浓度的Cr（VI）。

1.2.2 分析方法

利用二苯碳酰二肼显色法，通过分光光度计测吸附前后铬溶液的吸光度A，算出铬的去除率。

1.2.3 绘制铬标准溶液的特性曲线

用铬标准贮备液稀释，配成质量浓度分别为0.004、0.010、0.020、0.040、0.080、0.100、0.120、0.160、0.200、0.400、0.600、0.800、1.000mg／L 的Cr（VI）溶液，然后在波长λ＝540nm下分别测它们的吸光度，绘制铬液的标准曲线，即吸光度A与铬液中Cr（VI）的质量浓度c的关系曲线。

1.2.4 花生壳活化前后对水中Cr（VI）的吸附研究

将Cr（VI）标准储备液稀释至质量浓度为5.0 mg／L，取该浓度溶液50mL置于烧杯中，加入一定量的花生壳，用盐酸和氢氧化钠溶液调节pH值，于恒温水浴锅中搅拌，静置10min，然后过滤，取滤液10.00 mL各3份于50mL的比色管中，稀释到50mL后，测滤液的吸光度，研究未经硝酸活化的花生壳对Cr（VI）去除率随吸附时间、投料量、吸附温度、pH的变化情况。

1.3 花生壳的表征

利用傅里叶红外光谱仪分析活化前后花生壳表面的官能团变化，探索化学活化花生壳吸附Cr（VI）的吸附机理。

2 结果与讨论

2.1 铬液的标准曲线

测得的铬液的标准曲线见图1。

图1 铬液标准曲线

根据铬液标准曲线得到铬液质量浓度与吸光度的线性方程为y＝0.562 85x＋0.001 59，相关系数R 为0.998 96，铬液浓度与吸光度的线性关系很好。

2.2 未经硝酸活化的花生壳对水中Cr（VI）的吸附研究

为了考察4个因素（吸附时间、吸附温度、未经硝酸活化的投料量m、pH）对Cr（VI）的吸附率的影响情况，采用四因素三水平的正交试验，根据单因素试验结果，吸附时间分别为：110、120、130min，吸附温度分别为：20、25、30℃，m 为16、18、20g／L，pH 值分别为2、3、4，结果见表1，分析结果见表2。

表1 未经硝酸活化的花生壳对水中铬（VI）的吸附正交试验结果及分析

表2 对表1结果的分析

由表2中的极差R可看出，未经硝酸活化的花生壳对Cr（VI）的吸附影响因素的主次排序为：pH值影响＞温度影响＞投料量影响＞吸附时间影响；最佳吸附条件为：pH＝2；θ＝25℃；m＝20g／L；t＝120min，此时吸附率高达74.12%。

2.3 硝酸活化花生壳对水中Cr（VI）的吸附研究

为了考察4个因素（吸附时间、吸附温度、硝酸活化后的花生壳投料量（m）、pH）对铬（VI）的吸附率的影响情况，采用四因素三水平的正交试验，根据单因素试验经验，吸附时间分别为：90、95、100min，吸附温度分别为：55、60、65 ℃，m 为3、4、5g／L，pH 值分别为2、3、4，试验结果见表3，分析结果见表4。

表3 硝酸活化花生壳对水中铬（VI）的吸附正交试验结果及分析

表4 对表3结果的分析

由表4中的极差R可以看出：经硝酸活化的花生壳对铬（VI）的吸附影响因素的主次排序为：pH值影响＞温度影响＞投料量影响＞吸附时间影响；最佳吸附条件为：pH＝2；θ＝60℃；M＝5g／L；t＝95min，此时吸附率高达95.14%。

2.4 活化前后的花生壳表面官能团的红外光谱

活化前后的花生壳表面官能团的红外光谱分别见图2和图3。

图2 未经硝酸活化的花生壳红外光谱

波数在2 500～3 250cm－1的红外吸收峰为羧基特征吸收峰，1 620cm－1吸收峰为羰基特征吸收峰，3 400cm－1附近宽峰为羟基伸缩振动吸收峰。对比图2和图3可知：经硝酸活化后花生壳在2 500～3 250 cm－1吸收峰明显强于未经硝酸活化的花生壳，而羧基的生成有利于对Cr（Ⅵ）的吸附，从而使吸附效率大大提高。

图3 经硝酸活化的花生壳红外光谱

3 结论

（1）经硝酸活化后的花生壳对Cr（VI）的最佳吸附条件为：pH＝2、吸附温度为60℃、花生壳投料量为5g／L、吸附时间为95min，此时吸附效率高达95.14%，比未经活化处理的花生壳的吸附效率提高了21.02%。

（2）经硝酸活化后，花生壳表面生成的羧基增强了对Cr（VI）的吸附作用。

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