硝酸铁改性活性炭吸附废水中六价铬的研究

王景香 王艳霞 张青华 张占伟

摘 要：采用硝酸铁改性活性炭（Fe-GAC）吸附废水中Cr6+，并与未改性的颗粒活性炭（GAC）对比，考察吸附时间、溶液的pH值、温度对Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影响。试验结果表明，①随着吸附时间的增加，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率均增加，1.5 h前Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率增加显著，之后吸附率增加较慢，趋于平稳;②随着pH值的增加，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率均降低，当pH≤6时，两者的吸附效果都较好，pH值越小，吸附效果越好;③随着温度的升高，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明显加快;④采用硝酸铁对活性炭进行表面化学修饰，使改性后活性炭吸附Cr6+的能力提升，提高了对水中Cr6+的去除率。硝酸铁改性活性炭可作为吸附剂用于实际工业含铬废水的处理。

关键词：硝酸铁;活性炭;吸附能力;六价铬

中图分类号：X52     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）10-0084-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.019

Adsorption of Hexavalent Chromium from Wastewater by Ferric

Nitrate Modified Activated Carbon

WANG Jingxiang    WANG Yanxia    ZHANG Qinghua    ZHANG Zhanwei

（Henan Kelon Environmental Engineering Co.， Ltd.， Jiyuan 459000，China）

Abstract：The adsorption of Cr6+ from wastewater by modified ferric nitrate activated carbon （Fe-GAC） is compared with that by unmodified granular activated carbon （GAC）. The effects are investigated about adsorption time， pH value of solution and temperature on the adsorption capacity of Fe-GAC and GAC. The results show that， ①The adsorption rates of Fe-GAC and GAC for Cr6+ increase with the increase of adsorption time. The adsorption rates of Fe-GAC and GAC for Cr6+ increase significantly before 1.5 h， and then increase slowly and level off;②With the increase of pH value， the adsorption rates of Fe-GAC and GAC for Cr6+ decrease. When the pH value is less than or equal to 4， the adsorption effect of both is better， the lower the pH value， the better the adsorption effect;③With the increase of temperature， the adsorption capacity of Fe-GAC and GAC for Cr6+ is greatly improved， and the adsorption rate is obviously accelerated;④The surface chemical modification of activated carbon with ferric nitrate improves the adsorption capacity of Cr6+ and the removal rate of Cr6+ in water. It can be used as adsorbent for the treatment of industrial wastewater containing chromium.

Keywords：ferric nitrate;activated carbon;adsorption capacity;hexavalent chromium

0 引言

鉻及其化合物作为重要的化工原料广泛应用于工业生产。随着社会经济的迅速发展，铬化合物的消费量逐年增加，铬及其化合物在生产过程中不可避免地产生大量含铬废水。含铬废水主要来源于电镀、化工、冶金等多个行业[1]，尤其电镀行业产生的含铬废水最多。含铬废水的危害与废水中铬的价态有关，废水中主要有Cr3+和Cr6+两种价态，Cr6+与Cr3+具有更强的致癌和致突变能力;同时，Cr6+具有很强的氧化能力和迁移能力，会对生态环境和人类健康构成严重威胁[2-3]。随着环境问题日益严峻，越来越多的科研工作者在废水处理技术开发方面做了大量的工作[4-8]。活性炭由于其表面存在大量的含有静电吸附功能的官能团，可以对废水中Cr6+进行吸附，且活性炭具有吸附效率高、吸附性能稳定、操作费用低等优点，被广泛应用于含铬废水的处理[9-10]。本试验采用硝酸铁改性活性炭（Fe-GAC）吸附废水中Cr6+，并与未改性的颗粒活性炭（GAC）做对比，考察吸附时间、溶液的pH值、温度对Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影响，拟寻找一种有效处理废水中Cr6+的吸附剂。

1 试验部分

1.1 试验仪器与原料

1.1.1 试验仪器。恒温振荡器（THZ-312）;分光光度计（752型）;电干燥箱（DHG-9030）。

1.1.2 试验原料。颗粒活性炭（GAC）、硝酸铁、重铬酸钾、H2SO4、NaOH、HCl等。

1.1.3 制备硝酸铁改性活性炭。将10 g活性炭加入100 mL浓度为0.2 mol/L的Fe（NO3）3溶液中，混匀后放置在90 ℃恒温水浴中振荡5 h。之后取出活性炭用蒸馏水反复冲洗，然后将冲洗后的活性炭放入干燥箱，于110 ℃下烘干至恒重，最后再放入电炉，于150 ℃烘焙5 h，即得到硝酸铁改性活性炭（Fe-GAC）。

1.1.4 模拟含铬废水的配制。将固体重铬酸钾置于110 ℃干燥箱中干燥2 h，配成质量浓度为50 mg/L的溶液。同时配制质量分数为5%的H2SO4溶液和质量分数为10%的NaOH溶液用于处理活性炭和调节含铬废水的pH值。

1.2 试验方法

称取1 g吸附材料，加入盛有25 mL质量浓度为50 mg/L的K2Cr2O7溶液的锥形瓶中。在指定温度下搅拌规定时间，立即抽滤，将滤液移入50 mL容量瓶中，加2.5 mL二苯氨基脲指示剂，静置10 min后，用分光光度计在波长540 nm处测其吸光值，对比标准曲线确定其浓度，根据浓度的变化计算吸附率。

2 结果与讨论

2.1 吸附时间对吸附率的影响

试验初始条件：改性前后活性炭各1 g，Cr6+初始质量浓度为50 mg/L，pH值为4，温度为45 ℃。吸附时间与吸附率的关系如图1所示。由图1可知，随着吸附时间的增加，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率均增加。当吸附时间从0.5 h增加到1.5 h时，Fe-GAC对Cr6+的吸附率从7.3%增加到35.8%，增加了28.5%;GAC对Cr6+的吸附率从5.5%增加到30.5%，增加了25%。当吸附时间从2 h增加到4 h时，Fe-GAC对Cr6+的吸附率从38.8%增加到45.2%，增加了6.4%;GAC对Cr6+的吸附率从34.4%增加到38.5%，增加了4.1%。由以上数据可知，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率在1.5 h前增加显著，吸附时间增加1 h，吸附率分别增加了28.5%、25%;当吸附时间大于2 h时，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率均增加緩慢，吸附时间增加2 h，Fe-GAC的吸附率仅增加6.4%，GAC的吸附率仅增加4.1%。造成这种现象的主要原因是吸附前期，Fe-GAC和GAC表面活性位点较多，可在短时间内吸附较多的Cr6+。随着吸附时间的延长，活性点位越来越少，造成吸附速率降低，吸附率增加缓慢。由图1可知，在整个阶段，Fe-GAC的吸附率一直比GAC的吸附率高。原因主要是改性后的活性炭表面含氧官能团数量比未改性活性炭的多，提高了其吸附能力;同时改性后活性炭表面的吸附活性位点增加，以上原因导致Fe-GAC的吸附率比GAC的吸附率高[4]。

2.2 pH值对吸附率的影响

试验初始条件：改性前后活性炭各1 g，Cr6+的初始浓度为50 mg/L，吸附时间为2 h，温度为45 ℃，采用氢氧化钠和稀硫酸调整pH值。pH值与吸附率的关系如图2所示。由图2可知，当pH值为2～6时，随着pH值的升高，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率均显著降低。Fe-GAC对Cr6+的吸附率从92.9%降至32.9%，降低了60%;GAC对Cr6+的吸附率从88.2%降至20.2%，降低了68%。当pH值为7～9时，随着pH值的升高，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率变化不明显，Fe-GAC对Cr6+的吸附率从20.5%降至16.2%，降低了4.3%;GAC对Cr6+的吸附率从10.8%降至9.8%，降低了1%。由以上数据可知，当pH≤4时，Fe-GAC和GAC均有较好的吸附性能，pH值越小，吸附效果越好。说明在偏酸性条件下，Fe-GAC和GAC的吸附能力都很好。这主要与Cr6+的存在形式有关，在偏酸性条件下，Cr6+主要以HCrO4-形式存在，HCrO4-带负电，pH值越小，活性炭表面H+浓度越高，使其与HCrO4-的静电引力越大，吸附效果较好。

2.3 温度对吸附率的影响

试验初始条件：改性前后活性炭各1 g，Cr6+的初始质量浓度为50 mg/L，吸附时间2 h，pH值为4。温度与吸附率的关系如图3所示。由图3可知，随着温度的升高，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率均呈现上升趋势。当温度从25 ℃升高到45 ℃时，Fe-GAC的吸附率从35.8%上升到60.3%，增加了24.5%;GAC的吸附率从32.5%上升到54.8%，增加了22.3%，Fe-GAC和GAC的吸附率均明显增加。当温度从45 ℃升高到60 ℃时，Fe-GAC的吸附率从60.3%上升到62.1%，增加了1.8%;GAC的吸附率从54.8%上升到57.1%，增加了2.3%，Fe-GAC和GAC的吸附率增加缓慢。根据吸附热力学原理，物理吸附是一个放热过程，升高温度会使吸附水平降低，而由基团静电吸引而引发的化学吸附是吸热过程，升高温度有利于化学吸附的进行。由图3可以看出，随着温度的升高，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明显加快。Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附过程同时满足物理吸附和化学吸附，其中化学吸附占主导地位。故升高温度有利于提升活性炭对Cr6+的吸附性能。

3 结论

采用硝酸铁改性活性炭（Fe-GAC）吸附废水中Cr6+，并与未改性的颗粒活性炭（GAC）做对比，考察吸附时间、溶液的pH值、温度对Fe-GAC和GAC吸附Cr6+能力的影响，得到以下4个结论。

①随着吸附时间的增加，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率均增加。在1.5 h前，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率增加显著，之后吸附率增加较慢，趋于平稳。

②随着pH值的增加，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附率均降低。当pH≤4时，两者的吸附效果都较好，pH值越小，吸附效果越好。

③随着温度的升高，Fe-GAC和GAC对Cr6+的吸附能力大幅提高，吸附速率明显加快。

④采用硝酸铁对活性炭进行表面化学修饰，使改性后活性炭吸附Cr6+的能力提升，提高了对水中Cr6+的去除率，可作为吸附剂用于实际工业含铬废水的处理。

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