孫迎雪¹，徐棟²
(1.蘭州鐵道學院環境科學與工程學院，甘肅 蘭州730070；2.中國市政工程西北設計研究院，甘肅 蘭州 730000）

　　摘　要：由精礦粉和氧化鐵成加工而成的鐵質多孔性物質對合鉻廢水的處理試驗結果表明：該鐵質多孔濾料的粒徑為1.45～2.00mm，廢水的pH值為5～6，溫度在約20℃的情況下，六價鉻的去除率可達95％，同時總鉻的去除率達80％以上。
　　關鍵詞：含鉻廢水；廢水處理；氧化還原；濾料
　　中圖分類號：X703.5；TU991.24
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　電鍍行業排放的廢水中往往含有較高濃度的六價鉻及總鉻。目前，較成熟的處理技術為化學藥劑沉淀法、離子交換法、活性炭吸附法、濃縮回用法、電解還原法等，但上述技術總是由于技術或經濟上的原因，在使用過程中難以取得理想的效果。本文開發鐵質多孔性濾料，對電鍍含鉻廢水進行了處理試驗研究。

1 鐵質多孔濾料

1.1 制備
　　鐵質多孔濾料采用鐵質精礦粉和氧化鐵磷經化學法制備成內部含有大量微孔的鐵質多孔性物質，并制備成一定粒徑的顆粒。
1.2 主要物化性能
　　鐵質多孔濾料（以下簡稱海綿鐵）的主要成分為鐵元素，全鐵的質量分數大于96％，金屬鐵的質量分數大于90％，碳元素的質量分數約為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 除鉻機理探討

　　海綿鐵自身主要成分為鐵和碳，當海綿鐵處在水溶液中時就形成無數個原電池，作為陽極的鐵元素失去電子，形成Fe²⁺進入溶液，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。進入溶液中的Fe²⁺作為還原劑與溶液中的Cr⁶⁺反應，使Cr⁶⁺還原為Cr³⁺，而Fe2+氧化為Fe³⁺，在適宜的PH值條件下產生Cr（OH）₃和Fe（OH）₃沉淀，從而從廢水中去除。基本反應如下：
　　 海綿鐵的陽極反應：
　　　Fe→Fe²⁺2e E₀=-0.44V
　　陰極反應：
　　　2H⁺+2e→H2 E₀＝0.00V
　　氧化還原反應：
　　　3Fe2++Cr⁶⁺→3Fe³⁺+Cr³⁺
　　　Cr³⁺+3OH-→Cr（OH）₃↓
　　　Fe³⁺+30H、Fe（OH）3↓

3 除Cr⁶⁺試驗

3.1 靜態法
　　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，置于轉速為140r／min的恒溫床上振蕩，使廢水與海錦鐵充分接觸反應，采用分光光度法測定處理后廢水中六價鉻離子的濃度[1]，計算海錦鐵對六價鉻離子的去除率。靜態試驗在不同的海綿鐵粒徑、不同溫度和pH值等條件下分別進行。
3.2 動態法
　　采用內徑為16mm，長度為1600mm的有機玻璃管，內填充海錦鐵，海錦鐵的裝填高度為1000mm，使濾料緊密堆聚。廢水由高位水箱進入恒位水箱，然后以一定流速通過濾柱，測定處理后廢水中六價格離子的濃度，計算海錦鐵對六價鉻離子的去除率，確定海錦鐵的濾柱的最佳濾速。

4 試驗結果及討論

4.1 靜態試驗
4.1.1 反應時間的影響
　　稱取粒徑為1.00－2.00mm的海錦鐵10g置于100mL含Cr⁶⁺的質量濃度為20mg／L的廢水中振蕩。分別在0，2，4，5，6，8min時取樣，測出殘余Cr⁶⁺的質量濃度，時間；與殘余Cr⁶⁺的，質量濃度變化曲線見圖1。最終確定靜態試驗降解過程的反應時間為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⁺的質量濃度為20mg／L的廢水中振蕩，作用時間為5min。試驗結果見表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]。但從實際生產運行的角度考慮，粒徑越小，當小于1.00mm時，運行中水頭損失較大，且易結塊，產生溝流，長時間運行會影響出水效果和產水量。從水質要求、經濟成本綜合考慮，選定粒徑范圍為1.45－2.00mm的海錦鐵作為本試驗的適宜粒徑。

表1 不同粒徑組合試驗結果 粒徑組合/mm 反應后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⁺的質量濃度為20mg／L的廢水100mL置于250mL錐形瓶中，稱取10g粒徑為1.45－2.00mm的海錦鐵，分別放入上述錐形瓶
中，調節pH值，測定其處理效果，結果見圖2。可以看出，pH值對溶液中Cr⁶⁺轉化率的影響很大，pH值越小，轉化速率越快，Cr⁶⁺原為Cr³⁺越完全。但考慮到所轉化的Cr³⁺的進一步去除，需要形成Cr（OH）₃沉淀，方可以從廢水中分離，因而太低的pH值會導致Cr³⁺難以形成Cr（OH）₃沉淀，造成出水總鉻超標；當pH值小于4時，酸耗及海錦鐵耗量增加，導致處理成本的增加，同時增加了水中Fe2+的含量，使出水顏色加深，增加后續處理；而且在實際運行中，pH值對過濾的影響是多方面的，存在設備的耐酸性和管道的維護管理等問題。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⁺的質量濃度為20mg／L的廢水100mL置于250mL錐形瓶中，稱取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行試驗，測定其處理效果，結果見圖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10℃時，去除率顯著比0℃時提高，但溫度在20－30℃時，去除率增長速率并不是很快，實驗室建議采取最佳處理溫度為20℃。

4.2 動態試驗
4.2.1 過濾柱最佳濾速的選擇
　　稱取320g粒徑為1.45－2.00mm的海錦鐵填充在內徑為16mm，長度為1600mm的有機玻璃柱內，海錦鐵的裝填高度為 1000 mm，原液起始的質量濃度為19.141mg／L（以Cr⁶⁺計）進行動態試驗，控制不同的過濾速度計算過濾柱對Cr⁶⁺的去除效果，結果見圖4。試驗結果表明，流速越小，去除率越高，但流速太小對實際處理工藝沒有意義，因此考慮實際經濟效益，確定υ＝8m／h為本試驗的最佳過濾速度。
4.2.2 動態試驗去除總鉻效果研究

　　考慮到實際生產運行時，含鉻廢水的來源復雜，而且其中鉻的存在形態和價態也有多種。因此，針對海錦鐵處理電鍍含鉻廢水的實用性，對海錦鐵去除總鉻進行了連續運轉試驗。控制過濾速度υ＝8m／h，進水ρ（Cr⁶⁺）＝7.18mg／L，水溫為16.5℃，PH值為5，試驗結果見圖5。從圖5可以看出，海錦鐵對總鉻的去除率也較高。根據《污水綜合排放標準》GB8978－1996表1中第一類污染物最高允許排放濃度，出水Cr⁶⁺的質量濃度維持在0.5mg／L以下，總鉻的質量濃度在1.5mg／L以下，則對總鉻的去除率在80％以上。當海錦鐵過濾柱運行時間到9.5h時，出水總鉻的質量濃度超過1.5mg／L，過濾柱產水量為19.09L，此時停止運行，進行反沖洗。反沖時有較多沉淀物排出，反沖后過濾柱恢復對鉻的處理能力。

　　采用多孔濾料對含鉻廢水進行處理是一種十分實用的技術。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藥劑，無電能消耗，僅采用過濾反沖即可維持系統的長期連續運轉。對原水適應性強，操作簡便。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，處理費用遠低于其它方法，其技術經濟性較為理想。

5 結語

　　海錦鐵作為一種金屬多孔濾料處理含鉻廢水的技術還未見報道。本研究結果表明用粒徑為1.45～2.00mm的海錦鐵，在pH值為5～6，溫度為20℃左右時，對六價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、操作簡便、經濟易行等優點，值得進一步研究和推廣應用。

參考文獻：

　　[1] 國家環保局.水與廢水監測分析方法（第三版）[M].北京：中國環境科學出版社，1989
　　[2] 魏保明.金屬腐蝕理論應用［M］.北京：化學工業出版社，1984.

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