实验室废水治理：层状金属氢氧化物吸附 Cr(VI)阴离子的研究与应用

实验室废水治理：层状金属氢氧化物吸附 Cr(VI)阴离子的研究与应用

【摘要】：随着检验部门、科研机构及大专院校生产、科研、教学的发展，各单位实验室废水排放量不断增加，且性质越来越复杂，对生态环境产生了严重的影响。铬是实验室废水中的典型污染物，我国《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）明确规定废水中Cr(VI)的质量浓度不得超过0.5mg/L，总铬的质量浓度不得超过1.5mg/L。层状金属氢氧化物是一类阴离子功能材料，由于其独特的层状结构和物理化学性质，常被用作吸附剂，尤其对阴离子的吸附效果显著。 现有研究主要利用层状金属氢氧化物吸附去除废水中的Cr（VI）阴离子，很少涉及Cr（III）阳离子的处理，更是很少应用于实际实验室废水的处理。因此，本文制备了一系列不同的层状金属氢氧化物，研究了材料的制备工艺以及制备的材料对废水中铬的吸附去除性能。主要研究工作与结果如下：（1）比较了以NaOH、NH4OH和NaOH为沉淀剂制备的镁铝层状金属氢氧化物（Mg/Al-LDH）的结构特征及其对实验室废水中Cr（VI）阴离子的去除效果。以NaOH为沉淀剂制备的材料结晶度高、层状结构完整、比表面积大、孔径适宜，对Cr（VI）的去除效果更好。

煅烧Mg/Al-LDH（Mg/Al-LDO）对Cr（VI）的最优吸附工艺为：固液比1：500，体系pH控制在7~9之间，室温振荡9 h，在此条件下该材料对Cr（VI）的饱和吸附容量可达199.41 mg/g，且表现出良好的回收性能。（2）优化了以实验室含Cr（VI）废水为原料即时制备镁铝层状金属氢氧化物（Mg/Al-Cr（VI）-LDH）去除废水中Cr（VI）阴离子的制备工艺条件，利用XRD、FT-IR、TG-DTG和BET对制备材料的结构进行分析，并探究该材料对Cr（VI）阴离子的去除机理。 当Mg(II)/Al(III)摩尔比为2∶1，pH在9～10之间，反应在室温下进行10 min时，废水中Cr(VI)的处理效果较好。制备的材料为含Cr(VI)的镁铝层状金属氢氧化物，Mg(II)和Al(III)水解生成的氢氧化物构成了材料的骨架，废水中的Cr(VI)阴离子通过静电引力进入材料层间，平衡层上正电荷，使得Cr(VI)以层间阴离子的形式被去除。（3）制备了含Fe(II)的镁铝铁层状金属氢氧化物（Mg/Al/Fe(II)-LDH），Fe(II)与Cr(VI)之间的氧化还原反应显著增强了材料去除废水中Cr(VI)的能力。 利用XRD、FT-IR、TG-DTG、BET和SEM分析了材料的晶体结构特征。

优化的制备工艺为：Mg(II):Al(III):Fe(II)摩尔比为5:2:1，陈化时间为24 h；优化的去除工艺为：体系pH控制在9～10，室温反应100 min。在最佳制备及吸附工艺条件下，煅烧后Mg/Al/Fe(II)-LDH（Mg/Al/Fe(II)-LDO）对Cr(VI)的饱和吸附容量高达725.61 mg/g，去除效果明显提高。 （4）以含Cr（III）的实验室废水为原料，制备了镁铝铬层状金属氢氧化物（Mg/Al/Cr（III）-LDH），并将其用于吸附去除废水中的Cr（VI）阴离子，实现了制备-吸附串联过程中实验室废水中Cr（III）和Cr（VI）污染的同时处理，并通过XRD、FT-IR、TG-DTG、BET和SEM分析了材料的晶体结构特征。当Mg（II）：Al（III）：Cr（III）的摩尔比为10：4：1，反应温度为45 ℃，陈化时间为24 h时，制备的材料具有良好的层状结构。 当固液比为1：250，体系pH控制在8～9，室温下反应80 min时，煅烧后Mg/Al/Cr(III)-LDH（Mg/Al/Cr(III)-LDO）对Cr(VI)的饱和吸附容量达到237.80 mg/g。制备的4种环境功能材料Mg/Al-LDH、Mg/Al-Cr(VI)-LDH、Mg/Al/Fe(II)-LDH和Mg/Al/Cr(III)-LDH可成功应用于实际含铬实验室废水的处理，处理后废水残余铬含量达到国家污水综合排放标准。研究成果为含铬实验室废水的处理提供了理论指导和技术支持，也为其他含铬废水的处理提供了方法参考。