基于弱相互作用力的共混型吸附剂去除六价铬离子

罗越峰，施 鹏，陈俊良，喻安平，冯信鑫

（西南石油大学化学化工学院，四川 成都 610500）

0 引言

重金属离子对水和土壤的污染一直备受关注。Cr（Ⅵ）作为一种典型的重金属污染物，被广泛应用于电镀、木材、纺织和皮革加工[1]。Cr（Ⅵ）一旦进入环境，就会通过食物链在人体内蓄积影响健康。目前，从水中去除Cr（Ⅵ）已经研究了几十年，并探索了一系列的技术，如絮凝沉淀、吸附等[2]。

在之前的研究中，报道了聚乙二醇（PEG）和单宁酸（TA）具有一些特别的性能[3]。在目前的研究中，尝试使用了PEG 和TA 的混合物去除Cr（Ⅵ），但效果并不理想。考虑到Fe2+在一些报道中通常用于Cr（Ⅵ）[4]的氧化还原混凝，因此将其加入到本实验中以提高PEG+TA 的性能。一旦Fe2+与PEG-TA 结合，它就可以在中性环境中使用而无需调整pH 值，从而彻底去除Cr（Ⅵ）。且PEG-TA-Fe2+的剂量在成本方面具有一定的竞争力，制备过程也仅包含物理混合，因此这种方法在工业应用方面具有巨大潜力。

1 试剂与仪器

1.1 试剂

七水硫酸亚铁 [FeSO4·（H2O）7]、重铬酸钾（K2Cr2O7），购于科龙化学；单宁酸（TA），购买于阿拉丁。

1.2 仪器

微电脑离子浓度测定仪（HI83300），哈纳沃德仪器有限公司；扫描电子显微镜（JFM-7500），日本捷欧路电子有限公司；X 射线光电子能谱（Escalab 250Xi），赛默飞世尔科技（中国）有限公司；PES 膜，直径为50 mm，孔直径为0.1 mm，购买于浙江海宁能达过滤器厂。

2 实验方法

称取K2Cr2O7并溶解在去离子水中制备出质量浓度为100 mg/L 的Cr（Ⅵ）溶液。分别称取PEG 和TA溶解在去离子水中制备出质量浓度为5 000 mg/L PEG和TA 溶液，混合两者以获得PEG-TA 分散体。然后在搅拌下将分散体和FeSO4粉末加入K2Cr2O7溶液中。反应2 h 后，用分光光度计测试上层溶液的Cr（Ⅵ）浓度。其过程如图1 所示。

图1 去除实验流程示意图

Cr（Ⅵ）去除率R 按照式（1）计算：

式中：ρ0和ρt表示去除试验初期和试验后的Cr（Ⅵ）质量浓度，mg/L。

3 结果与讨论

3.1 Fe2+对于实验的影响

通过将Fe2+、PEG+TA 和PEG+TA+Fe2+三种不同的组分分别加入模拟废水中，考察其对Cr（Ⅵ）的去除性能，以探究Fe2+的在铬去除中的作用。单独的Fe2+对于Cr（Ⅵ）具有高达70%以上的去除率，这说明了Cr-Fe 系统的氧化还原可能在Cr（Ⅵ）的去除过程中起到了重要作用。但在中性环境下，Cr（Ⅵ）不能完全还原，因此单独的Fe2+对Cr（Ⅵ）的去除有限，仅在酸性条件下Fe2+可以完全还原Cr（Ⅵ）。因此，PEG+TA 的存在可能是互补的，因为它不仅可以螯合Cr（Ⅲ）而且对于Cr（Ⅵ）还有一定的吸附和包埋效果，可以通过随后的比较实验来证实。

3.2 Fe2+剂量对实验的影响

在PEG+TA 存在下还研究了Fe2+剂量的影响。增加剂量可以显著提高Cr（Ⅵ）的去除率。当Fe2+用量在150 mg/L 以下时，对于Cr（Ⅵ）的去除率的提升基本呈现线关系，说明了Fe2+在少量时提升加入的量对于实验的影响是巨大的；Fe2+加入量从150～250 mg/L时，增加Fe2+的用量对于去除率的提升效果逐渐减弱，考虑到国家标准中对于Cr（Ⅵ）的高标准排放要求（＜0.5 mg/L），因此最终选择Fe2+用量为250 mg/L。

3.3 zeta 电位

在实验中观察到，不同的絮体分离方式也会导致结果有所变化。通过孔径0.1 mm 的PES 膜过滤分离沉淀物时，一部分Cr（Ⅵ）会从沉淀物中重新分散到水中，使得去除率降低到95%左右。使用PES 膜过滤后的滤液呈现微黄色，而通过离心后的水则完全无色。这表明，一部分铬以弱相互作用力与药剂结合。

为探究以上现象，对于PEG+TA、EG+TA+Fe2+、PEG+TA+Fe2++Cr（Ⅵ）三组分别测量了它们的zeta 电位。PEG+TA这组带有较强的负电荷，对于Fe2+、Cr（Ⅵ）带有正电荷的离子具有一定的吸引作用，对吸附起到了积极的影响。PEG+TA+Fe2+这组依然带有较弱的负电荷，可能在吸附时依然具有正面影响，并且通过Fe-Cr之间的联系，强化了被吸附的Cr（Ⅵ）的稳定性。

3.4 沉淀物的SEM

从图2-1 可以观察到Cr（Ⅵ）与Fe2+一起形成了不混溶的颗粒物质。推测其主要可能是Cr（Ⅲ）-Fe（Ⅲ）-OH 物质。微球状沉淀物与现有的其他絮凝沉淀方向的文献有所不同，目前大多数使用的凝结剂的微观结构都是大块且无序的，这表明了在Cr（Ⅵ）被去除过程中，试剂在胶体之间没有发生桥接。

图2 沉积物的SEM 图像

4 结论

在本研究中，提出了一种新的Cr（Ⅵ）去除方法，即通过聚乙二醇、单宁酸和Fe2+的组合进行混凝。所得混凝剂可在2 h 内将Cr（Ⅵ）质量浓度从100 mg/L降至0.1 mg/L 以下甚至低于检测限值。其制备只涉及简单的物理混合，可在中性环境中进行，无需调节pH。该结果可为高效去除Cr（Ⅵ）提供一种新的混凝沉淀方法。