實驗室含鉛、鎘廢水的處理方法探究
鉛、鎘是廢水排放標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格控制的第一類污染物，這類物質(zhì)能在環(huán)境或動植物體內(nèi)蓄積，對人體健康產(chǎn)生長遠(yuǎn)的不良影響。GB8978-88規(guī)定了車間或處理設(shè)施排放口排水的最高容許排放濃度，隨著我國工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，江河、湖庫、地下水都不同程度地受到了污染。
近年來,環(huán)境礦物材料以其經(jīng)濟(jì)、有效、無二次污染等特點,在重金屬廢水處理和土壤修復(fù)方面顯示出了眾多優(yōu)勢,可替代傳統(tǒng)的鉛鎘污染處理方法。本文敘述了應(yīng)用一種新型環(huán)境礦物材料羥基磷灰石(Hap)處理實驗室鉛鎘廢水方法并提出了一些建議。
1 羥基磷灰石作用機(jī)理
羥基磷灰石(Hap)四面體六角晶，在水中的溶解度為0.4mg/L，分子式為Ca10(PO4)6(OH)2 ，動物骨、牙的主要無機(jī)組分,也是合成生物材料的重要原料。近來年,日本鈴木喬等人發(fā)現(xiàn),水溶液中的某些陽離子可保留在合成的羥基磷灰石上,其行為類似于水溶液中陽離子與磷灰石晶格中Ca2+之間的離子交換反應(yīng),而不僅僅涉及表面吸附過程.對溶液中離子的去除順序為Pb2+>Cd2+>Zn2+>Mn2+>Hg2+[2,3] 。介質(zhì)的pH值是影響Hap去除金屬離子行為較為復(fù)雜的因素之一，它決定了水溶液中金屬離子的賦存狀態(tài)及Hap的溶解特性與表面性質(zhì)等，而這些因素與Hap的去除金屬離子行為密切相關(guān)。絡(luò)合平衡計算，鉛、鎘離子在不同pH值時具有不同的型體及分布系數(shù)。Hap在空白溶液中的表面電動電勢ζ為負(fù)值，且隨pH值的增加其電負(fù)性增大。由此可知Hap去除金屬離子的作用機(jī)理是表面絡(luò)合與表面電位吸附。同時Hap溶解性不僅與溶液中酸性呈正相關(guān)，在含金屬離子溶液中溶解時，還包括離子交換模型，即溶液中的重金屬離子與Hap中的鈣離子發(fā)生交換作用。從溶解特性的角度推測： Hap去除重金屬離子過程中存在有離子交換作用機(jī)理。所以其主要的去除機(jī)理包括吸附、表面絡(luò)合、溶解－沉淀以及重金屬離子與晶格中之間的離子交換作用。一般而言，被吸附的重金屬離子可固化在晶格中而不出現(xiàn)解吸，因此不會產(chǎn)生二次污染。
2 實驗與結(jié)果
2. 1實驗設(shè)備
日本島津AA6800原子吸收分光光度計
鉛、鎘空心陰極燈
2.2 羥基磷灰石的合成
將市售化學(xué)純的Ca(OH)2和Ca3(PO4)2粉末按1∶1摩爾比均勻混合后,盛入瓷舟中,置于管式電阻爐內(nèi)穩(wěn)定的高溫帶上,在1100℃、常壓下煅燒2h,從燃燒管的一端通入穩(wěn)定流量的水蒸汽.反應(yīng)結(jié)束后,冷卻反應(yīng)產(chǎn)物,并用4%的NH4Cl溶液洗去殘余的Ca(OH)2,得到純度很高的羥基磷灰石[4]。
2.3 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析
在室溫為25℃時，取初始濃度為10mg/L的實驗室含鎘廢水每份各100ml，初始濃度為200mg/L的實驗室含鉛廢水每份各250ml，加入鹽酸或氫氧化鈉調(diào)不同的pH后，不同劑量羥基磷灰石(Hap)，開始計時并攪拌，60min后停止攪拌，靜止30min后傾取處理后樣品的上清液，加優(yōu)級純硝酸調(diào)pH<2，用島津AA6800型原子吸收分光光度計，用火焰分光光度法測定上清液的濃度,結(jié)果見表1。
因?qū)嶒炇毅U鎘貯備液分別為500mg/L和100mg/L，即使最佳效果的去除率為99%處理后的廢水上清液仍達(dá)不到一類污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，而且廢水仍呈酸性，這時同一濃度含鉛鎘廢水取兩份，一份待測定，另一份用消石灰或?qū)嶒炇矣没瘜W(xué)純的氧化鈣加入到傾出的上清液中調(diào)pH≥10,開始計時并攪拌半小時后靜止過夜，第二天傾取處理后樣品的上清液，和待測定樣品一起加高純硝酸調(diào)pH<2，用島津AA6800型原子吸收分光光度計，石墨爐原子吸收分光光度法測定處理前后樣品的濃度,結(jié)果見表2
經(jīng)過上述兩種方法的間歇式處理實驗，高濃度的實驗室含鉛鎘廢水已達(dá)到GB3838-88地面水三級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，加適量廢酸調(diào)PH中性即可倒入下水道。
3 結(jié)論
影響去除效果的因素：介質(zhì)pH值、溫度、吸附時間、離子的初始濃度、Hap的粒度和用量等。通常,對于不同離子,最佳吸附條件不同[5]。
從動力學(xué)角度來看，大致可分為兩個階段：初期階段反應(yīng)速度快，動力學(xué)過程復(fù)雜；后期階段反應(yīng)速度較慢，并符合一級反應(yīng)動力學(xué)方程。實驗研究表明：強(qiáng)酸(pH<3.5)條件下兩種金屬離子的去除率隨pH值的升高增加較快，但當(dāng)pH≥3.5時這種增加趨勢變緩。
Hap對水溶性鎘在初始濃度為10mg/L時的酸性溶液中 ，去除率與介質(zhì)的pH、作用時間、Hap用量呈正相關(guān) 。通過正交實驗確定了最佳吸附條件：pH值為6，攪拌時間為1h、吸附溫度為25℃。在此條件下，Hap用量為5g/L,去除容量為2.0mg/g樣品 )，對鎘離子的去除率可達(dá)99%
Hap對鉛離子的最優(yōu)吸附條件為：pH≤3.5、攪拌時間為1h、吸附溫度為25℃。在此條件下，Hap對200mg/L的實驗室含鉛廢水進(jìn)行實驗鉛離子的吸附容量達(dá)123mg/g,Hap用量1.6g/L，對鉛離子的去除率可達(dá)98% 。
羥基磷灰石作為一種新型環(huán)境礦物材料對較高濃度的實驗室鉛鎘廢水具有很好的處理效果，具有去除速度快 ，在瞬間即可發(fā)生作用，而且不會產(chǎn)生二次污染等顯著優(yōu)點。采用消石灰二次處理的方法可以使較低濃度實驗室含鉛鎘的廢水達(dá)到地面水三級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將二者結(jié)合實驗廢水的處理方法具有實用性、可行性、安全性等優(yōu)點，對從事重金屬分析的實驗室廢水的處理有一定的推廣價值。
參考文獻(xiàn)
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[4] 劉羽,鐘康年,胡文云.用水熱法羥基磷灰石去除溶液中鉛離子的研究[J].武漢化工學(xué)院學(xué)報,1998,20:39-42.
[5] 胡戀,陳朝猛,謝水波.羥基磷灰石生物活性材料處理重金屬廢水的機(jī)理及效果研究[J].南華大學(xué)學(xué)報,2005,19:29-33.
作者簡介：李坤（1978-），畢業(yè)于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院環(huán)境保護(hù)專業(yè)，現(xiàn)大慶市環(huán)境監(jiān)測中心站從事質(zhì)量控制工作。
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