铁质多孔滤料除铬研究

孙迎雪¹，徐栋²
(1.兰州铁道学院环境科学与工程学院，甘肃 兰州730070；2.中国市政工程西北设计研究院，甘肃 兰州 730000）

　　摘　要：由精矿粉和氧化铁成加工而成的铁质多孔性物质对合铬废水的处理试验结果表明：该铁质多孔滤料的粒径为1.45～2.00mm，废水的pH值为5～6，温度在约20℃的情况下，六价铬的去除率可达95％，同时总铬的去除率达80％以上。
　　关键词：含铬废水；废水处理；氧化还原；滤料
　　中图分类号：X703.5；TU991.24
　　文献标识码：A
　　文章编号：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

　　电镀行业排放的废水中往往含有较高浓度的六价铬及总铬。目前，较成熟的处理技术为化学药剂沉淀法、离子交换法、活性炭吸附法、浓缩回用法、电解还原法等，但上述技术总是由于技术或经济上的原因，在使用过程中难以取得理想的效果。本文开发铁质多孔性滤料，对电镀含铬废水进行了处理试验研究。

1 铁质多孔滤料

1.1 制备
　　铁质多孔滤料采用铁质精矿粉和氧化铁磷经化学法制备成内部含有大量微孔的铁质多孔性物质，并制备成一定粒径的颗粒。
1.2 主要物化性能
　　铁质多孔滤料（以下简称海绵铁）的主要成分为铁元素，全铁的质量分数大于96％，金属铁的质量分数大于90％，碳元素的质量分数约为3％。其粒径范围为0.30－3.00mm、孔隙率3≥60％、密度为2.35－2.75g／cm³、比表面积约为40－70m²/g、堆积密度为1.60g／cm³。

2 除铬机理探讨

　　海绵铁自身主要成分为铁和碳，当海绵铁处在水溶液中时就形成无数个原电池，作为阳极的铁元素失去电子，形成Fe²⁺进入溶液，而溶液中的H⁺在作为阴极的碳元素表面得到电子还原为H₂。进入溶液中的Fe²⁺作为还原剂与溶液中的Cr⁶⁺反应，使Cr⁶⁺还原为Cr³⁺，而Fe2+氧化为Fe³⁺，在适宜的PH值条件下产生Cr（OH）₃和Fe（OH）₃沉淀，从而从废水中去除。基本反应如下：
　　 海绵铁的阳极反应：
　　　Fe→Fe²⁺2e E₀=-0.44V
　　阴极反应：
　　　2H⁺+2e→H2 E₀＝0.00V
　　氧化还原反应：
　　　3Fe2++Cr⁶⁺→3Fe³⁺+Cr³⁺
　　　Cr³⁺+3OH-→Cr（OH）₃↓
　　　Fe³⁺+30H、Fe（OH）3↓

3 除Cr⁶⁺试验

3.1 静态法
　　量取一定量模拟废水（采用重铬酸钾配制的含铬废水）于锥形瓶中，加入一定量的海锦铁，置于转速为140r／min的恒温床上振荡，使废水与海锦铁充分接触反应，采用分光光度法测定处理后废水中六价铬离子的浓度[1]，计算海锦铁对六价铬离子的去除率。静态试验在不同的海绵铁粒径、不同温度和pH值等条件下分别进行。
3.2 动态法
　　采用内径为16mm，长度为1600mm的有机玻璃管，内填充海锦铁，海锦铁的装填高度为1000mm，使滤料紧密堆聚。废水由高位水箱进入恒位水箱，然后以一定流速通过滤柱，测定处理后废水中六价格离子的浓度，计算海锦铁对六价铬离子的去除率，确定海锦铁的滤柱的最佳滤速。

4 试验结果及讨论

4.1 静态试验
4.1.1 反应时间的影响
　　称取粒径为1.00－2.00mm的海锦铁10g置于100mL含Cr⁶⁺的质量浓度为20mg／L的废水中振荡。分别在0，2，4，5，6，8min时取样，测出残余Cr⁶⁺的质量浓度，时间；与残余Cr⁶⁺的，质量浓度变化曲线见图1。最终确定静态试验降解过程的反应时间为5min。

4.1.2 海锦铁粒径的影响
　　海锦铁粒径的选择直接影响Cr⁶⁺的去除效果，选取不同粒径组合的海锦铁各10g置于100mL含Cr⁶⁺的质量浓度为20mg／L的废水中振荡，作用时间为5min。试验结果见表1。从理论上讲，海锦铁是一种多孔性的颗粒状固体，粒径越小，参与反应的海锦铁总表面积越大，表面能越高，有利于腐蚀原电池的形成，从而可提高去除能力[2]。但从实际生产运行的角度考虑，粒径越小，当小于1.00mm时，运行中水头损失较大，且易结块，产生沟流，长时间运行会影响出水效果和产水量。从水质要求、经济成本综合考虑，选定粒径范围为1.45－2.00mm的海锦铁作为本试验的适宜粒径。

表1 不同粒径组合试验结果 粒径组合/mm 反应后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值的影响
　　取Cr⁶⁺的质量浓度为20mg／L的废水100mL置于250mL锥形瓶中，称取10g粒径为1.45－2.00mm的海锦铁，分别放入上述锥形瓶
中，调节pH值，测定其处理效果，结果见图2。可以看出，pH值对溶液中Cr⁶⁺转化率的影响很大，pH值越小，转化速率越快，Cr⁶⁺原为Cr³⁺越完全。但考虑到所转化的Cr³⁺的进一步去除，需要形成Cr（OH）₃沉淀，方可以从废水中分离，因而太低的pH值会导致Cr³⁺难以形成Cr（OH）₃沉淀，造成出水总铬超标；当pH值小于4时，酸耗及海锦铁耗量增加，导致处理成本的增加，同时增加了水中Fe2+的含量，使出水颜色加深，增加后续处理；而且在实际运行中，pH值对过滤的影响是多方面的，存在设备的耐酸性和管道的维护管理等问题。所以，综合考虑，建议pH取值一般在5－6之间。

4.1.4 温度的影响
　　取Cr⁶⁺的质量浓度为20mg／L的废水100mL置于250mL锥形瓶中，称取10g粒径为1.45－2.00mm的海锦铁，分别放入上述锥形瓶中与含铬废水混合，分别在不同温度下进行试验，测定其处理效果，结果见图3。可以看出，用海锦铁处理含铬废水，随着废水水温的增高，去除率明显上升，尤其在温度超过10℃时，去除率显著比0℃时提高，但温度在20－30℃时，去除率增长速率并不是很快，实验室建议采取最佳处理温度为20℃。

4.2 动态试验
4.2.1 过滤柱最佳滤速的选择
　　称取320g粒径为1.45－2.00mm的海锦铁填充在内径为16mm，长度为1600mm的有机玻璃柱内，海锦铁的装填高度为 1000 mm，原液起始的质量浓度为19.141mg／L（以Cr⁶⁺计）进行动态试验，控制不同的过滤速度计算过滤柱对Cr⁶⁺的去除效果，结果见图4。试验结果表明，流速越小，去除率越高，但流速太小对实际处理工艺没有意义，因此考虑实际经济效益，确定υ＝8m／h为本试验的最佳过滤速度。
4.2.2 动态试验去除总铬效果研究

　　考虑到实际生产运行时，含铬废水的来源复杂，而且其中铬的存在形态和价态也有多种。因此，针对海锦铁处理电镀含铬废水的实用性，对海锦铁去除总铬进行了连续运转试验。控制过滤速度υ＝8m／h，进水ρ（Cr⁶⁺）＝7.18mg／L，水温为16.5℃，PH值为5，试验结果见图5。从图5可以看出，海锦铁对总铬的去除率也较高。根据《污水综合排放标准》GB8978－1996表1中第一类污染物最高允许排放浓度，出水Cr⁶⁺的质量浓度维持在0.5mg／L以下，总铬的质量浓度在1.5mg／L以下，则对总铬的去除率在80％以上。当海锦铁过滤柱运行时间到9.5h时，出水总铬的质量浓度超过1.5mg／L，过滤柱产水量为19.09L，此时停止运行，进行反冲洗。反冲时有较多沉淀物排出，反冲后过滤柱恢复对铬的处理能力。

　　采用多孔滤料对含铬废水进行处理是一种十分实用的技术。由于海锦铁自身的微电解作用，使得该工艺不需要消耗化学药剂，无电能消耗，仅采用过滤反冲即可维持系统的长期连续运转。对原水适应性强，操作简便。去除每克Cr⁶⁺需消耗海锦铁3.6g（理论值的1.1倍），以Cr⁶⁺的质量浓度为20mg／L的废水为例，每吨废水消耗海锦铁72g，约为0.15元，处理费用远低于其它方法，其技术经济性较为理想。

5 结语

　　海锦铁作为一种金属多孔滤料处理含铬废水的技术还未见报道。本研究结果表明用粒径为1.45～2.00mm的海锦铁，在pH值为5～6，温度为20℃左右时，对六价铬及总铬均有很高的处理效果，可以满足处理含铬废水的要求。该法处理含铬废水具有高效、快速、操作简便、经济易行等优点，值得进一步研究和推广应用。

参考文献：

　　[1] 国家环保局.水与废水监测分析方法（第三版）[M].北京：中国环境科学出版社，1989
　　[2] 魏保明.金属腐蚀理论应用［M］.北京：化学工业出版社，1984.

---

　　作者简介：孙迎雪（1973－），女，甘肃天水人，讲师，硕士，主要从事水处理教学研究工作，电话（0931）8438217，dyingxue＠hotmail.com； 徐栋（1970－），男，江苏淮安人，工程师，学士学位，主要从事给排水科研及市政设计工作。