李静红[1] 王淑英 张 艳 余道江 李 丹
(东北电力大学化学工程学院，吉林 吉林 132012)
摘要 采用铁屑-铁氧体法处理化学实验废水中的铬，最佳工艺条件为：将16 g铁屑与100 mL化学实验废水在室温下共震荡30 min进行微电解反应，出水用NaOH溶液调节pH为7.5，形成铬铁氧体，铬的去除率达到99.3%以上，处理后的化学实验废水中总铬为1.5 mg/L以下，达到《污水综合排放标准》（GB 8978－1996）。
关键词 铁屑 铁氧体 化学实验废水 铬
Treatment of chromium in chemistry experiment wastewater by iron filings-ferrite process
Li Jinghong，Wang Shuying，Zhang Yan，Yu Daojiang，Li Dan.（College of Chemistry and Engineering，Westeast Dianli University，Jilin Jilin 132012）
Abstract：The analytical chemistry experiment wastewater containing chromium（Ⅲ） was studied. The best treatment conditions of removing chromium were determined. 100 mL wastewater mixed with 16 g iron filings was concussed for 30 min at room temperature. Chromium ferrite was formed under pH 7.5 conditioned by NaOH solution. The chromium removal efficiency was above 99.3%.The concentration of total chromium in treated water was below 1.5 mg/L. It meets with the state discharge standard.
Keywords：iron filings；ferrite process；chemistry experiment wastewater；Cr
《关于加强实验室类污染环境监管的通知》于2004年3月17日正式下发，其中规定，2005年1月1日起，各类实验室将被纳入环境保护部门的监管范围。化学实验废水具有污染物种类多、毒性大、废水排放不连续的特点。化学实验废水的处理方法的研究不多[1，，为了实现实验室废水的零污染排放，必须研究可行的实验废水处理方法。针对化学实验废水的特点适宜采用按实验项目进行分别处理。分析化学实验项目“铁矿中全铁含量的测定”是分析化学实验的典型教学实验项目，该分析方法是使用K2Cr2O7作为标准溶液滴定分析测定铁含量，分析实验废水中含有大量的铬（Ⅲ），其浓度远大于废水排放标准。
铁氧体法是日本电气公司（NEC）研究出来的一种从废水中除去重金属离子的技术[3]，实验研究证明铁氧体法处理废水中重金属离子具有工艺简单、处理效果好的特点[4，，而且铁氧体法适合间歇性废水处理，包含重金属的铁氧体废水处理固体废物在环境中稳定，不产生二次污染。笔者应用铁屑和铁氧体联用技术处理含铬化学实验废水。
1
工艺路线
工艺路线见图1。
图1
工艺路线
2
铁屑-铁氧体法处理实验废水中铬的原理
实验废水为分析化学实验项目“铁矿中全铁含量的测定”的废水，酸性，含有Fe3+和Cr3+，废水中加入铁屑，反应器Ⅰ中发生微电解反应，产生Fe2+和Fe3+。电极反应如下：
阳极
Fe－2e-=Fe2+
φΘ（Fe2+/Fe）=－0.440 V
（1）
Fe2+－e-=Fe3+
φΘ（Fe3+/Fe2+）=0.771 V
（2）
阴极
2H++2e-=H2
φΘ（H+/H2）=0 V
（3）
O2+4H++4e-=2H2O
φΘ（O2/H2O）=1.220 V
（4）
反应器Ⅱ中Fe2+、Fe3+和废水中的Cr3+在碱性介质中形成铬铁氧体：
Cr3++Fe2++Fe3++8OH-→Cr（OH）3+Fe（OH）2+2Fe（OH）3→CrFeFe2O4（铬铁氧体） （5）
3
实验部分
3.1
废水及铁屑
化学实验废水水质：pH 1.5，Cr3+为208 mg/L，Fe3+为672 mg/L，感观为清澈、绿色。
铁屑：吉林江北机械厂废料，铸铁，粒度2~5 mm。铁屑用1% H2SO4浸泡，除去铁屑表面氧化物，清水充分洗涤，烘干备用。
3.2
仪器及药品
721型分光光度计，S-2C型pH计，SHZ-C往复式水浴恒温震荡器。
NaOH （AR），去离子水。
3.3
实验步骤
选择在室温反应形成铁氧体。取100 mL化学实验废水（铬质量浓度为c0），加入一定量的铁屑，在反应器Ⅰ中恒温震荡一定时间，过滤，滤液加入NaOH溶液调节pH，废水在反应器Ⅱ中室温震荡，然后静止10 min，取上清液用分光光度法[6]测定铬质量浓度（c1），计算废水中铬的去除率（y）。
（6）
4
结果与讨论
4.1
废水处理效果影响因素
4.1.1
铁屑用量的影响
100 mL化学实验废水中加入不同质量的铁屑，反应器Ⅰ在室温20 ℃震荡30 min，反应器Ⅱ pH为7.5，室温20 ℃，考查铁屑用量对处理效果的影响，结果见表1。
表1
铁屑用量对废水处理效果的影响
铁屑用量/g
| 铬去除率/%
| 出水总铬质量浓度/（mg·L－1）
| 4
| 69.38
| 63.7
| 8
| 93.53
| 13.5
| 12
| 95.89
| 8.5
| 16
| 99.42
| 1.2
| 20
| 99.71
| 0.6
|
由表1可知，随着铁屑用量的增大，铬去除率增大。这是由于单位体积废水的铁屑用量增大，铁碳原电池增多，反应生成的Fe2+和Fe3+的量增多，有利于铬铁氧体的形成。铁屑用量大于16 g时，铬去除率增大不多，且出水总铬浓度为1.2 mg/L，达到《污水综合排放标准》（GB 8978－1996），因此选择最佳铁屑用量为16 g。
4.1.2
铁屑与废水接触时间的影响
100 mL化学实验废水中加入16 g的铁屑，反应器Ⅰ在室温20 ℃震荡，反应器Ⅱ pH为7.5，室温20℃，考查铁屑与废水不同接触时间下废水中铬的处理效果，结果见表2。
表2
铁屑与废水接触时间对废水处理效果的影响
接触时间/min
| 铬去除率/%
| 出水总铬质量浓度/（mg·L－1）
| 10
| 88.12
| 24.6
| 20
| 97.20
| 5.8
| 30
| 99.41
| 1.2
| 40
| 99.54
| 1.0
| 50
| 99.62
| 0.8
|
由表2可知，随着铁屑与废水接触时间增大，铬的去除率增大。这是由于随着铁屑与废水接触时间越多，微电解反应程度越大，则生成的Fe2+和Fe3+的量越多，越有利于形成铬铁氧体，铬的去除率越大。当铁屑与废水接触时间在30 min时，铬去除率很大，出水总铬浓度达到国家废水排放标准。铁屑与废水接触时间大于30 min，继续增加接触时间，铬去除率增大不多。因此，确定最佳铁屑与废水接触时间为30 min。
4.1.3
微电解反应温度的影响
100 mL化学实验废水中加入16 g的铁屑，反应器Ⅰ震荡30 min；反应器Ⅱ pH为7.5，考查不同微电解温度下废水中铬的处理效果，结果见表3。
表3
微电解反应温度对废水处理效果的影响
微电解反应温度/℃
| 铬去除率/%
| 出水总铬质量浓度/（mg·L－1）
| 20
| 99.42
| 1.2
| 30
| 99.53
| 1.0
| 35
| 99.48
| 1.1
| 40
| 99.57
| 0.9
| 50
| 99.60
| 0.8
|
由表3可知，尽管微电解反应温度升高，铬去除率总体是增大，但微电解反应温度对废水处理效果影响很小。另外，考虑到降低废水处理成本，确定最佳的微电解反应温度为室温20 ℃。
4.1.4
铁屑粒度的影响
实验中将铁屑处理成不同粒度的铁屑，加入废水中考查铁屑粒度对废水处理效果的影响，结果见表4。
表4
铁屑粒度对废水处理效果的影响
铁屑粒度/目
| 铬去除率/%
| 出水总铬质量浓度/（mg·L－1）
| 40
| 79.30
| 43.1
| 60
| 83.51
| 34.3
| 80
| 98.57
| 3.0
| 未经研磨铁屑
| 99.40
| 1.2
|
由表4可知，铁屑的粒度对废水处理效果影响很大。铁屑的粒度太小，铁屑易结快，废水和铁屑的有效接触面积减少。粒度越小，结快现象越严重。根据实验结果，未经研磨铁屑的废水处理效果最好。
4.1.5
铁氧体反应pH的影响
废水经过铁屑处理后进入反应器Ⅱ，通过NaOH溶液调节pH，形成铁氧体，使铬从溶液中转入固相。改变反应器Ⅱ中不同的pH条件，考察废水处理效果，结果见表5。
表5
pH对处理效果的影响
pH
| 铬去除率/%
| 出水总铬质量浓度/（mg·L－1）
| 6.6
| 95.23
| 9.9
| 7.5
| 99.38
| 1.3
| 8.0
| 99.47
| 1.1
| 9.4
| 99.62
| 0.8
| 10.1
| 99.80
| 0.4
|
由表5可知，pH越大，铬去除率越大。当pH大于7.5，能够形成黑色的铁氧体，出水总铬浓度达到废水排放标准，因此选择最佳铁氧体反应pH条件为7.5。
4.2
最佳工艺条件下实验结果
根据废水处理工艺实验，确定最佳的工艺条件为100 mL化学实验废水加入未经研磨的铁屑16 g，室温下铁屑与废水接触时间30 min，NaOH溶液调节铁氧体反应体系pH为7.5。
在最佳工艺条件下平行处理废水5次，结果见表6。由表6可知，废水处理效果稳定。
表6
最佳工艺条件下废水处理效果
实验序号
| 铬去除率/%
| 出水总铬质量浓度/（mg·L－1）
| 1
| 99.40
| 1.2
| 2
| 99.38
| 1.3
| 3
| 99.42
| 1.2
| 4
| 99.47
| 1.1
| 5
| 99.42
| 1.2
|
5
结 论
（1） 铁屑-铁氧体法处理化学实验废水中铬的最佳工艺条件为：室温下用未经研磨的铁屑与废水震荡30 min，每100 mL化学实验废水铁屑用量为16 g，出水在经NaOH调节pH为7.5。
（2） 利用铁屑-铁氧体法处理化学实验废水，铬去除率均达到99.3%以上，出水总铬浓度均达到GB 8978－1996。该工艺具有沉淀易沉降、易分离，处理工艺时间短，工艺简单，废水处理固体废物在环境中稳定，不产生二次污染的特点。
参考文献
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[2]
LARISSA C. Potential treatment alternative for laboratory effluents[J]. Bioresource Technology，2005（96）：1650-1657.
[3]
张学洪，王敦球.铁氧体法处理电解锌厂生产废水[J].环境科学与技术，2003，26（1）：36-37.
[4]
过俊郎.っェティト制造技术与应用しに重金属ィオソ除去方法[J].电子材料，1973（9）：70.
[5]
赵如金，吴春笃.常温铁氧体法处理重金属离子废水研究[J].化工环保，2005，25（4）：263-266.
[6]
国家环境保护局《水和废水监测分析方法》编委会．水和废水监测分析方法[M]．3版．北京：中国环境科学出版社，1989.
责任编辑：黄 苇 （收到修改稿日期：2008-08-09） 第一作者：李静红，女，1964年生，硕士，副教授，研究方向为环境污染控制与检测。 | 
