铬元素符号Cr,为银白色金属。铬元素通常以金属铬、三价铬和六价铬存在,铬的原子序数为24,原子量为51.996,为体心立方晶体。铬及其化合物广泛应用于采矿、化工冶金、制药、镀铬、轻工纺织等一系列的工业生产中。据统计,仅就电镀废水而言,全国电镀企业就有1万多家,每年排出的废水达到40亿m3,对环境造成了相当大的污染。并且近几年,重金属离子污染呈上升趋势。现在C6+r已经被证明对我们的身体健康危害最大,相较于金属铬和C3+r毒性最强。C6+r可以通过皮肤接触、吸入、食用等途径危害到人体。皮肤侵入时会产生湿疹和皮炎,吸入可能会导致鼻黏膜萎缩,严重时还可能会使鼻中隔穿孔和支气管扩张。经过消化道入侵人体时可引起呕吐、腹痛等,还有可能造成遗传性基因缺陷。不过,对人体危害最大的还是长期或短期吸入、接触C6+r的时候会有致癌的危险。铬元素主要以铬酸盐和重铬酸盐形式存在,溶于水且在水体中稳定存在,在厌氧条件下还会被还原成三价铬。由于C3+r和C6+r对人体都有害,我国规定居民生活饮用水和地面水中六价铬的最高容许浓度是0.05mg/L;而在工业中六价铬及其化合物的最高容许浓度是0.5mg/L。
目前,处理工业生产中含铬废水的方法也有很多种,常见的有还原沉淀法、生物法、电解法和吸附法等。不过,以上几种方法所用吸附剂由于其造价昂贵,中小企业无法承担其成本而并没有被广泛应用。相比之下,天然沸石是成本较低、铬去除率较高的天然矿物质品种之一。
一、沸石的改性
1、沸石改性的必要性
由于沸石的孔径与孔道细小,容易被堵塞,相互之间的连通性也较差,导致去除效果降低。另外,同样是由于天然沸石的孔径较小,吸附重金属的效果也不甚理想,需要的沸石用量相当大,因此需对沸石进行改性。经过改性后的沸石,可以提高孔隙率及其表面活性,从而增加了沸石的吸附性能、离子交换性能以及催化性能。
2、沸石的常用改性方法
沸石的酸处理改性就是使用酸溶液来浸泡处理天然沸石,采用无机酸有机酸均可。沸石中含有的杂质较多,酸可以清除沸石中的二氧化硅及有机物等杂质;H+可以置换出沸石中含有的如Ca、Na等阳离子,由于H+的半径比其它阳离子小,从而间接地增加了沸石内孔道的有效空间。
二、改性沸石对废水中Cr6+去除效果的研究
1、改性对象以及方法
由于人造沸石的成分稳定,杂质含量较低,且耐酸碱能力较强,克服了天然沸石的种种弊端,因此本次试验用人造沸石进行改性处理。本次试验使用硫酸亚铁(FeSO4)对天然沸石进行改性,该方法同样属于酸处理改性。因为 FeSO4呈酸性,属于强碱弱酸盐,因此会发生水解,其水解方程式为Fe2++H2O→2H++Fe(OH)2。
2、实验药品和仪器准备
Cr6+浓度为25 mg/L的模拟废水、人造沸石、配置0.2 mol/L的FeSO4溶液、水浴恒温振荡器和烘箱等。
3、实验步骤
(1)取0.2 mol/L的FeSO4溶液,以固液比1:10加入人造沸石,在水浴恒温振荡器中温度在25 ℃的情况下以180 r/min的速度振荡一定时间,舍去上边清液,再用去离子水冲洗3次后放到烘箱中以120 ℃烘干,待用。
(2)取上述改性处理过后的Zeolite和未经处理的天然沸石各3.0g,放入浓度为25mg/L的100mL的含Cr6+废水中,再放入振荡器中振荡1h。
(3)使用1mL移液管分别取出待测液分别放入2个100 mL移液管中,向移液管中加蒸馏水至100 mL刻度线。
(4)使用移液管分别向比色管中加入2.5 mL(1+7)硫酸和2.5 mL二苯碳酰二肼丙酮溶液,立即摇晃均匀,放置10 min。
(5)将721型分光光度计调至540 nm波长,使用比色皿,以去离子水作为参比,得出数据,见表4。
将上述吸光度代入标准曲线方程 y=0.5879x+0.0002中,由于稀释100倍,因此出水浓度分别为8.62和5.21mg/L。根据式(1),求得去除率分别为65.52%和79.16%。
4、实验结果分析
根据去除率不难看出,相同条件下改性后的人造沸石改性沸石对废水中铬去除效果的研究的去除率高出天然沸石13.64%。这是因为,硫酸亚铁水解产生的 H+置换掉了沸石中原有的比H+半径大的阳离子,增加了其晶体结构的内部空间,从而提高了对重金属离子的吸附性能,并且提高了反应效率。
使用天然沸石去除含Cr6+重金属废水的最佳去除条件为投加沸石量3.0 g/100 mL、振荡时间1 h,去除率最高,去除效果最为明显,去除率最高可达到67.36%,而经改性后的沸石在同样去除条件下去除率最高可达79.16%。