杭州皙全技术：含Cr(Ⅵ)废水处理工艺
针对以上问题，本试验尝试将离子交换树脂法和FeSO4˙7H2O还原沉淀法2个传统的单个处理工艺耦合运用，这样既避免了单个处理工艺的弊端，又可以将2个工艺的优点加以联合，处理效率大大提高水处理设备。
本研究的目的是探索一种高效、低成本并特别适合低浓度含Cr(Ⅵ)废水的处理方法。试验采用离子交换树脂法—FeSO4˙7H2O还原沉淀法耦合工艺处理含Cr(Ⅵ)废水，即将低浓度含Cr(Ⅵ)废水流经离子交换柱，通过调节工艺参数使出水达标排放，然后用5%NaOH溶液洗脱吸附饱和的离子交换柱，收集浓缩的高浓度含Cr(Ⅵ)废水。以FeSO4˙7H2O为还原剂处理浓缩的高浓度含Cr(Ⅵ)废水，使Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，调节pH为8～9，使Cr(Ⅲ)生成Cr(OH)3沉淀而得以去除，含铬污泥可烘干回收利用。试验考察了pH、反应时间、搅拌速度、FeSO4˙7H2O投加量等因素对高浓度含Cr(Ⅵ)废水处理效果的影响，为该法的工业化应用提供指导性参考。
1 试验部分
1.1 试验用水
离子交换部分：以K2Cr2O7配制一定浓度的含Cr(Ⅵ)废水作为离子交换部分的试验用水。
还原沉淀部分：以离子交换部分浓缩的高浓度含Cr(Ⅵ)废水作为还原沉淀部分的试验用水。
1.2 试验设备和仪器
UV-1100型紫外/可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司;pHS-25酸度计，上海雷磁公司;FA2004电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司;离子交换柱，D=23mm，H=250mm，深圳市铭科科技有限公司;ZR4-6混凝试验搅拌机，深圳市中润水工业技术发展有限公司;布氏漏斗，上海禾汽玻璃仪器有限公司;马弗炉，宜兴市前锦炉业设备有限公司。实验室纯水设备
1.3 试验方法
1.3.1 离子交换树脂法
试验用离子交换树脂为D301大孔型弱碱性阴离子交换树脂，即在大孔结构的苯乙烯-二乙烯苯共聚体上主要带有叔胺基的阴离子交换树脂，碱性较弱。该树脂对Cr(Ⅵ)具有较好的吸附效果，且再生效率高、交换容量大、抗污染能力强、机械强度好。使大量的低浓度含Cr(Ⅵ)废水流经用D301树脂填充的离子交换柱，调节工艺参数使出水达标排放;Cr(Ⅵ)被吸附在树脂上，待树脂吸附饱和，用质量分数为5%的NaOH洗脱液洗涤，收集高浓度含Cr(Ⅵ)富集液。
1.3.2 FeSO4˙7H2O还原沉淀法
移取100mL经稀释的含Cr(Ⅵ)富集液于250mL的烧杯中，调节pH，加入一定量的FeSO4˙7H2O，在一定搅拌速度下反应一段时间，过滤;调节滤液的pH为8～9，并加入1～2滴质量分数为0.1%的聚丙烯酰胺(PAM)絮凝剂，静置沉淀30min;取上清液测定其中的Cr(Ⅵ)浓度，过滤、收集Cr(OH)3沉淀。将Cr(OH)3沉淀在马福炉中于650℃左右煅烧，可得到Cr2O3。
1.4 测试方法
Cr(Ⅵ)的测定采用二苯基碳酰二肼分光光度法。
2 结果与讨论
2.1 离子交换树脂法
2.1.1 吸附部分
查阅相关文献，根据树脂D301的使用参考标准的填装高度和运行速度，推算出其停留时间约为2.4～12min，而试验实际填装高度为150mm，则运行流量约为5.2～26.0mL/min。
配制质量浓度为100mg/L、pH约为5.7的含Cr(Ⅵ)废水15L，使其流经试验用离子交换柱，保持流量约为20mL/min。
该离子交换柱运行10.50h，吸附质量浓度为100mg/L的含Cr(Ⅵ)废水12.7L，吸附Cr(Ⅵ)的质量约为1254.6mg，Cr(Ⅵ)吸附率高达99.89%以上，出水水质完全达标，可回收循环利用。实验室纯水设备
2.1.2 洗脱部分
将负载1254.6mgCr(Ⅵ)的交换柱，用5%NaOH溶液以20mL/min的流速解吸，每收集100mL流出液，测定一次Cr(Ⅵ)的浓度。
解吸的Cr(Ⅵ)主要集中在初始流出液的500mL体积中，约占吸附的Cr(Ⅵ)总质量的95%，浓缩了约70倍，pH为12.5。收集前48min浓度较高的富集液，共820mL，平均Cr(Ⅵ)质量浓度为1506.00mg/L，还原沉淀部分试验用水皆由此浓缩液配制。水处理设备
另外，该洗脱曲线峰形陡峭，没有托尾现象，洗脱时间短、效率高且节省原材料。
2.2 FeSO4˙7H2O还原沉淀法
2.2.1 pH的影响
根据文献所述，FeSO4˙7H2O适宜在碱性条件下还原Cr(Ⅵ)〔10〕，故试验在pH≥7的条件下进行。按照1.3.2的方法，稀释含Cr(Ⅵ)浓缩液，使其质量浓度为500mg/L，取100mL于250mL的烧杯中，分别调节pH为7、8、9、10、11、12、13、13.5，在搅拌速度为150r/min、FeSO4˙7H2O投加量为2.5倍理论值的条件下，通过测定反应100min后上清液的Cr(Ⅵ)浓度，考察pH对Cr(Ⅵ)去除效果的影响。
碱性条件下，FeSO4˙7H2O对Cr(Ⅵ)的去除率均高于99.31%，表明FeSO4˙7H2O适宜在碱性条件下还原Cr(Ⅵ)。
2.2.2 反应时间的影响
按照1.3.2的方法，稀释含Cr(Ⅵ)浓缩液，使其质量浓度为500mg/L，取100mL于250mL烧杯中，在pH=12.5、搅拌速度为150r/min、FeSO4˙7H2O投加量为2.5倍理论值的条件下，分别反应0、15、30、50、70、90、100min，通过测定反应后上清液的Cr(Ⅵ)浓度，考察反应时间对Cr(Ⅵ)去除效果的影响，结果如图4所示。
反应时间越长，Cr(Ⅵ)去除率越高，但当反应时间>30min时，随着反应时间的延长，Cr(Ⅵ)去除率趋于平衡，故选用30min为最佳反应时间。实验室纯水设备
2.2.3 搅拌速度的影响
按照1.3.2的方法，稀释含Cr(Ⅵ)浓缩液，使其质量浓度为500mg/L，取100mL于250mL烧杯中，调节pH为12.5，控制搅拌速度分别为50、80、100、120、150、170、190、220r/min，在FeSO4˙7H2O投加量为2.5倍理论值的条件下，通过测定反应30min后上清液的Cr(Ⅵ)浓度，考察搅拌速度对Cr(Ⅵ)去除效果的影响，结果如图5所示。
随着搅拌速度从50r/min增加到220r/min，Cr(Ⅵ)去除率由12.31%升至99.84%，且当搅拌速度≥100r/min时，Cr(Ⅵ)去除率均高于98.90%。反应时间越长、搅拌速度越快均有利于去除率的提高，但权衡效率和电耗的关系，取最佳搅拌速度为100r/min。
2.2.4 还原剂投加量的影响
按照1.3.2的方法，稀释含Cr(Ⅵ)浓缩液，使其质量浓度为500mg/L，取100mL于250mL烧杯中，调节pH为12.5，搅拌速度为120r/min，FeSO4˙7H2O投加量分别为理论投加量的1.0、1.1、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5倍，通过测定反应30min后上清液的Cr(Ⅵ)浓度，考察FeSO4˙7H2O投加量对Cr(Ⅵ)去除效果的影响。
随着FeSO4˙7H2O投加倍数的增加，Cr(Ⅵ)去除率也大大提高，当FeSO4˙7H2O投加量为理论投加量的1.2倍时，Cr(Ⅵ)去除率已高达99.65%，继续增加FeSO4˙7H2O投加倍数，Cr(Ⅵ)去除率的变化趋于平稳。但是不同FeSO4˙7H2O投加量下，反应后上清液的pH相差很大，FeSO4˙7H2O投加量对反应后溶液pH的影响如图7所示。
反应后上清液的pH随着FeSO4˙7H2O投加量的增加而下降。这主要是由于随着FeSO4˙7H2O投加量的增加，溶液中的Fe2+增多，而Fe2+与OH-有较强的结合力，从而大大消耗了溶液中游离的OH-，出现FeSO4˙7H2O投加量越大，溶液pH越低的试验现象。考虑到经济成本，最佳FeSO4˙7H2O投加量选用理论投加量的1.2倍。
3 结论
采用离子交换树脂—FeSO4˙7H2O还原沉淀耦合工艺处理质量浓度为100mg/L的含Cr(Ⅵ)废水，首先使低浓度的含Cr(Ⅵ)废水流经直径为23mm、填装高度为150mm的离子交换柱，以20mL/min的流量连续运行10.5h，试验结果表明，该离子交换树脂柱吸附质量浓度为100mg/L的含Cr(Ⅵ)废水12.7L，吸附Cr(Ⅵ)的质量约为1254.6mg，Cr(Ⅵ)吸附率高达99.89%以上，出水水质完全达标;以5%NaOH溶液为洗脱剂对吸附饱和的树脂进行洗脱，洗脱液Cr(Ⅵ)质量浓度高达6918.7mg/L，浓缩了约70倍，且洗脱曲线峰形陡峭，没有托尾现象。用FeSO4˙7H2O还原沉淀经浓缩后的高浓度含Cr(Ⅵ)废水，其最佳反应条件：pH≥7，反应时间为30min，搅拌速度为100r/min，FeSO4˙7H2O投加量为理论投加量的1.2倍，在此条件下，Cr(Ⅵ)去除率可高达99.65%。
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