孫迎雪¹，徐棟²
(1.蘭州鐵道學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000）

　　摘　要：由精礦粉和氧化鐵成加工而成的鐵質(zhì)多孔性物質(zhì)對(duì)合鉻廢水的處理試驗(yàn)結(jié)果表明：該鐵質(zhì)多孔濾料的粒徑為1.45～2.00mm，廢水的pH值為5～6，溫度在約20℃的情況下，六價(jià)鉻的去除率可達(dá)95％，同時(shí)總鉻的去除率達(dá)80％以上。
　　關(guān)鍵詞：含鉻廢水；廢水處理；氧化還原；濾料
　　中圖分類(lèi)號(hào)：X703.5；TU991.24
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1009－2455（2003）02－0032－03

Study on Use of A Porous Ferrous Filter Material for Chromium RemovaI
SUN Ying-xue1, XU Dong2
(1. School of Environmental Scicnce and Engineering Lanzhou Railway University Lanzhou 730070, China; 2. Northwest China
Municpal Eng Design and Research InStitute, Lanzhou 73000O, China)

　　Abstract: Tests were carried out for the treatment of chromium-containing wastewater using a porous fermus material made from concentrated breeze and ferric oxide. The result shows that when the particle size of the　porous ferous filter material is 1.45-2.00mm, the pH value is 5～6 and the temperature is 20℃, the removal rate of Cr⁶⁺ may reach 95% and that of total chromium may exceed 80%.
　　Keywords: chromium-containing wastewater; wastewater treatment; oxidation-reduction reaction; filter
material

　　電鍍行業(yè)排放的廢水中往往含有較高濃度的六價(jià)鉻及總鉻。目前，較成熟的處理技術(shù)為化學(xué)藥劑沉淀法、離子交換法、活性炭吸附法、濃縮回用法、電解還原法等，但上述技術(shù)總是由于技術(shù)或經(jīng)濟(jì)上的原因，在使用過(guò)程中難以取得理想的效果。本文開(kāi)發(fā)鐵質(zhì)多孔性濾料，對(duì)電鍍含鉻廢水進(jìn)行了處理試驗(yàn)研究。

1 鐵質(zhì)多孔濾料

1.1 制備
　　鐵質(zhì)多孔濾料采用鐵質(zhì)精礦粉和氧化鐵磷經(jīng)化學(xué)法制備成內(nèi)部含有大量微孔的鐵質(zhì)多孔性物質(zhì)，并制備成一定粒徑的顆粒。
1.2 主要物化性能
　　鐵質(zhì)多孔濾料（以下簡(jiǎn)稱(chēng)海綿鐵）的主要成分為鐵元素，全鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于96％，金屬鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于90％，碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3％。其粒徑范圍為0.30－3.00mm、孔隙率3≥60％、密度為2.35－2.75g／cm³、比表面積約為40－70m²/g、堆積密度為1.60g／cm³。

2 除鉻機(jī)理探討

　　海綿鐵自身主要成分為鐵和碳，當(dāng)海綿鐵處在水溶液中時(shí)就形成無(wú)數(shù)個(gè)原電池，作為陽(yáng)極的鐵元素失去電子，形成Fe²⁺進(jìn)入溶液，而溶液中的H⁺在作為陰極的碳元素表面得到電子還原為H₂。進(jìn)入溶液中的Fe²⁺作為還原劑與溶液中的Cr⁶⁺反應(yīng)，使Cr⁶⁺還原為Cr³⁺，而Fe2+氧化為Fe³⁺，在適宜的PH值條件下產(chǎn)生Cr（OH）₃和Fe（OH）₃沉淀，從而從廢水中去除。基本反應(yīng)如下：
　　 海綿鐵的陽(yáng)極反應(yīng)：
　　　Fe→Fe²⁺2e E₀=-0.44V
　　陰極反應(yīng)：
　　　2H⁺+2e→H2 E₀＝0.00V
　　氧化還原反應(yīng)：
　　　3Fe2++Cr⁶⁺→3Fe³⁺+Cr³⁺
　　　Cr³⁺+3OH-→Cr（OH）₃↓
　　　Fe³⁺+30H、Fe（OH）3↓

3 除Cr⁶⁺試驗(yàn)

3.1 靜態(tài)法
　　量取一定量模擬廢水（采用重鉻酸鉀配制的含鉻廢水）于錐形瓶中，加入一定量的海錦鐵，置于轉(zhuǎn)速為140r／min的恒溫床上振蕩，使廢水與海錦鐵充分接觸反應(yīng)，采用分光光度法測(cè)定處理后廢水中六價(jià)鉻離子的濃度[1]，計(jì)算海錦鐵對(duì)六價(jià)鉻離子的去除率。靜態(tài)試驗(yàn)在不同的海綿鐵粒徑、不同溫度和pH值等條件下分別進(jìn)行。
3.2 動(dòng)態(tài)法
　　采用內(nèi)徑為16mm，長(zhǎng)度為1600mm的有機(jī)玻璃管，內(nèi)填充海錦鐵，海錦鐵的裝填高度為1000mm，使濾料緊密堆聚。廢水由高位水箱進(jìn)入恒位水箱，然后以一定流速通過(guò)濾柱，測(cè)定處理后廢水中六價(jià)格離子的濃度，計(jì)算海錦鐵對(duì)六價(jià)鉻離子的去除率，確定海錦鐵的濾柱的最佳濾速。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 靜態(tài)試驗(yàn)
4.1.1 反應(yīng)時(shí)間的影響
　　稱(chēng)取粒徑為1.00－2.00mm的海錦鐵10g置于100mL含Cr⁶⁺的質(zhì)量濃度為20mg／L的廢水中振蕩。分別在0，2，4，5，6，8min時(shí)取樣，測(cè)出殘余Cr⁶⁺的質(zhì)量濃度，時(shí)間；與殘余Cr⁶⁺的，質(zhì)量濃度變化曲線見(jiàn)圖1。最終確定靜態(tài)試驗(yàn)降解過(guò)程的反應(yīng)時(shí)間為5min。

4.1.2 海錦鐵粒徑的影響
　　海錦鐵粒徑的選擇直接影響Cr⁶⁺的去除效果，選取不同粒徑組合的海錦鐵各10g置于100mL含Cr⁶⁺的質(zhì)量濃度為20mg／L的廢水中振蕩，作用時(shí)間為5min。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從理論上講，海錦鐵是一種多孔性的顆粒狀固體，粒徑越小，參與反應(yīng)的海錦鐵總表面積越大，表面能越高，有利于腐蝕原電池的形成，從而可提高去除能力[2]。但從實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的角度考慮，粒徑越小，當(dāng)小于1.00mm時(shí)，運(yùn)行中水頭損失較大，且易結(jié)塊，產(chǎn)生溝流，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)影響出水效果和產(chǎn)水量。從水質(zhì)要求、經(jīng)濟(jì)成本綜合考慮，選定粒徑范圍為1.45－2.00mm的海錦鐵作為本試驗(yàn)的適宜粒徑。

表1 不同粒徑組合試驗(yàn)結(jié)果 粒徑組合/mm 反應(yīng)后ρ（Cr⁶⁺.L^-1) 去除率/% 0.50-1.00 0.50 97.50 1.00-1.45 0.75 96.25 1.45-2.00 3.80 81.00 ＞2.00 6.72 66.40

4.1.3 pH值的影響
　　取Cr⁶⁺的質(zhì)量濃度為20mg／L的廢水100mL置于250mL錐形瓶中，稱(chēng)取10g粒徑為1.45－2.00mm的海錦鐵，分別放入上述錐形瓶
中，調(diào)節(jié)pH值，測(cè)定其處理效果，結(jié)果見(jiàn)圖2。可以看出，pH值對(duì)溶液中Cr⁶⁺轉(zhuǎn)化率的影響很大，pH值越小，轉(zhuǎn)化速率越快，Cr⁶⁺原為Cr³⁺越完全。但考慮到所轉(zhuǎn)化的Cr³⁺的進(jìn)一步去除，需要形成Cr（OH）₃沉淀，方可以從廢水中分離，因而太低的pH值會(huì)導(dǎo)致Cr³⁺難以形成Cr（OH）₃沉淀，造成出水總鉻超標(biāo)；當(dāng)pH值小于4時(shí)，酸耗及海錦鐵耗量增加，導(dǎo)致處理成本的增加，同時(shí)增加了水中Fe2+的含量，使出水顏色加深，增加后續(xù)處理；而且在實(shí)際運(yùn)行中，pH值對(duì)過(guò)濾的影響是多方面的，存在設(shè)備的耐酸性和管道的維護(hù)管理等問(wèn)題。所以，綜合考慮，建議pH取值一般在5－6之間。

4.1.4 溫度的影響
　　取Cr⁶⁺的質(zhì)量濃度為20mg／L的廢水100mL置于250mL錐形瓶中，稱(chēng)取10g粒徑為1.45－2.00mm的海錦鐵，分別放入上述錐形瓶中與含鉻廢水混合，分別在不同溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定其處理效果，結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出，用海錦鐵處理含鉻廢水，隨著廢水水溫的增高，去除率明顯上升，尤其在溫度超過(guò)10℃時(shí)，去除率顯著比0℃時(shí)提高，但溫度在20－30℃時(shí)，去除率增長(zhǎng)速率并不是很快，實(shí)驗(yàn)室建議采取最佳處理溫度為20℃。

4.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)
4.2.1 過(guò)濾柱最佳濾速的選擇
　　稱(chēng)取320g粒徑為1.45－2.00mm的海錦鐵填充在內(nèi)徑為16mm，長(zhǎng)度為1600mm的有機(jī)玻璃柱內(nèi)，海錦鐵的裝填高度為 1000 mm，原液起始的質(zhì)量濃度為19.141mg／L（以Cr⁶⁺計(jì)）進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，控制不同的過(guò)濾速度計(jì)算過(guò)濾柱對(duì)Cr⁶⁺的去除效果，結(jié)果見(jiàn)圖4。試驗(yàn)結(jié)果表明，流速越小，去除率越高，但流速太小對(duì)實(shí)際處理工藝沒(méi)有意義，因此考慮實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，確定υ＝8m／h為本試驗(yàn)的最佳過(guò)濾速度。
4.2.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)去除總鉻效果研究

　　考慮到實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，含鉻廢水的來(lái)源復(fù)雜，而且其中鉻的存在形態(tài)和價(jià)態(tài)也有多種。因此，針對(duì)海錦鐵處理電鍍含鉻廢水的實(shí)用性，對(duì)海錦鐵去除總鉻進(jìn)行了連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。控制過(guò)濾速度υ＝8m／h，進(jìn)水ρ（Cr⁶⁺）＝7.18mg／L，水溫為16.5℃，PH值為5，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，海錦鐵對(duì)總鉻的去除率也較高。根據(jù)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》GB8978－1996表1中第一類(lèi)污染物最高允許排放濃度，出水Cr⁶⁺的質(zhì)量濃度維持在0.5mg／L以下，總鉻的質(zhì)量濃度在1.5mg／L以下，則對(duì)總鉻的去除率在80％以上。當(dāng)海錦鐵過(guò)濾柱運(yùn)行時(shí)間到9.5h時(shí)，出水總鉻的質(zhì)量濃度超過(guò)1.5mg／L，過(guò)濾柱產(chǎn)水量為19.09L，此時(shí)停止運(yùn)行，進(jìn)行反沖洗。反沖時(shí)有較多沉淀物排出，反沖后過(guò)濾柱恢復(fù)對(duì)鉻的處理能力。

　　采用多孔濾料對(duì)含鉻廢水進(jìn)行處理是一種十分實(shí)用的技術(shù)。由于海錦鐵自身的微電解作用，使得該工藝不需要消耗化學(xué)藥劑，無(wú)電能消耗，僅采用過(guò)濾反沖即可維持系統(tǒng)的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)原水適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便。去除每克Cr⁶⁺需消耗海錦鐵3.6g（理論值的1.1倍），以Cr⁶⁺的質(zhì)量濃度為20mg／L的廢水為例，每噸廢水消耗海錦鐵72g，約為0.15元，處理費(fèi)用遠(yuǎn)低于其它方法，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較為理想。

5 結(jié)語(yǔ)

　　海錦鐵作為一種金屬多孔濾料處理含鉻廢水的技術(shù)還未見(jiàn)報(bào)道。本研究結(jié)果表明用粒徑為1.45～2.00mm的海錦鐵，在pH值為5～6，溫度為20℃左右時(shí)，對(duì)六價(jià)鉻及總鉻均有很高的處理效果，可以滿足處理含鉻廢水的要求。該法處理含鉻廢水具有高效、快速、操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)易行等優(yōu)點(diǎn)，值得進(jìn)一步研究和推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 國(guó)家環(huán)保局.水與廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第三版）[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1989
　　[2] 魏保明.金屬腐蝕理論應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984.

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　　作者簡(jiǎn)介：孫迎雪（1973－），女，甘肅天水人，講師，碩士，主要從事水處理教學(xué)研究工作，電話（0931）8438217，dyingxue＠hotmail.com； 徐棟（1970－），男，江蘇淮安人，工程師，學(xué)士學(xué)位，主要從事給排水科研及市政設(shè)計(jì)工作。