活性炭纤维对电镀废水中镍的电吸附性能研究

  ［摘要］ 研究了活性炭纤维电极电吸附法对模拟电镀废水中Ni2+的去除效果及其影响因素，确定了最佳电极电位、板间距、活性炭纤维表面积、溶液初始浓度，并作出相应的吸附平衡分析。实验结果表明：在施加电极电位为1.0 V，活性炭纤维表面积为50 cm2，电极板间距为30 mm，Ni2+初始质量浓度为20 mg/L 条件下，达到平衡后，Ni2+的去除率可达88.15%。
    ［关键词］ 活性炭纤维；电吸附；电镀废水
    ［中图分类号］ X703.1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1005-829X（2014）11-0036-04
    电镀、石化和制药是当今全球三大污染工业。据不完全统计，全国电镀厂点约1 万家，每年排出的电镀废水约40 亿m3，约占废水总排放量的10%。电镀废水的水质复杂， 成分不易控制， 其中含有铬、镉、镍、铜、锌、金、银等重金属离子和氰化物等，有些属于致癌、致畸、致突变的剧毒物质〔1〕。因此，对电镀废水的治理历来受到各国政府的重视，对电镀废水各种治理方法和工艺的研究也很多，主要有物理化学法、电解法、离子交换法和膜处理法等。但这些方法都不同程度地存在操作困难、运行费用高和易造成二次污染严重等问题〔2-4〕。
    用电吸附法去除水中各种带电粒子的研究己经得到了人们的广泛重视，电吸附可用于对水中各类盐分的去除，对铜、镍等金属离子和部分极性较大的有机物也有较好的去除效果〔5-10〕。应用电吸附法处理重金属离子废水， 不但可以减轻环境污染，更能回收其中的重金属物质，具有很好的发展前景。
    本试验设计了活性炭纤维电极电吸附装置，用来研究复合电极电吸附法对电镀含Ni2+废水的吸附作用， 讨论了施加电极电位、电极板间距、活性炭纤维表面积、初始浓度对吸附效果的影响，并分析了电场作用下Ni2+的电吸附动力学，为工业上含Ni2+废水的处理提供了参考。
    1· 实验部分
    1.1 实验试剂
    六水合氯化镍、柠檬酸铵、碘片、碘化钾、丁二酮肟均为分析纯， 国药集团化学试剂有限公司；硝酸、氨水为分析纯，江苏彤晟化学试剂有限公司；活性炭纤维，含碳量30%~45%，苯吸附8%~40%，江苏苏通碳纤维有限公司。   1.2 主要仪器
    PS-1501A 直流稳压电源，上海稳压器厂；T6 紫外可见分光光度计， 北京普析通用仪器有限公司；WHY-2 数显恒温振荡器， 南京雷炯仪器设备有限公司；反应器，尺寸300 mm×160 mm×120 mm，自制；正负电极板， 尺寸200 mm×100 mm×5 mm， 自制；AL104 型电子天平，梅特勒-托利多仪器有限公司；pHS-3C 型pH 计，上海精密科学仪器有限公司。
    1.3 电吸附实验装置
    反应器由有机玻璃板制作，并隔成间距分别为30、40、50 mm 的3 个隔室； 将活性炭纤维覆盖于石墨电极表面，作为电吸附的复合电极，正负极上所施加的电极电位通过直流电源来控制。吸附在恒温磁力搅拌器的搅拌作用下进行。试验采用静态吸附方式，试验装置如图1 所示。
    

    2· 实验方法与步骤
    为有效减少其他离子对镍离子去除的干扰，采用模拟电镀废水作为试验用水， 即用蒸馏水与分析纯级氯化镍按比例配制到所需浓度。
    2.1 电吸附实验
    取两份等面积（5 mm ×10 mm）活性炭纤维（活性炭纤维经过酒精浸泡5 h 取出后，用蒸馏水煮沸1h，再置于干燥箱中于105 ℃下烘干备用）分别作为复合电极正负极的电吸附剂， 配制不同浓度的氯化镍溶液作为原水模拟含镍废水， 将正负电极置于反应器中， 在正负电极上分别施加设定的直流电极电位，使用恒温磁力搅拌器匀速缓慢搅拌模拟溶液，整个试验过程溶液都在恒温（25±0.5） ℃下进行。每隔5 min 取水样测定镍离子的浓度。
    2.2 分析测试方法
    测试方法：镍离子浓度的测定采用丁二酮肟（二甲基乙二醛肟）光度法〔11-12〕。
    分析方法：根据Ni2+标准曲线方法，将不同条件下测得的Ni2+吸光度折算成浓度，再计算Ni2+的吸附量及其去除率。
    3· 实验结果与讨论
    3.1 吸附平衡时间的确定
    在施加电极电位为1.0 V， 活性炭纤维表面积为50 cm2，电极板间距120 mm，Ni2+初始质量浓度为50 mg/L 的条件下，研究吸附时间对Ni2+电吸附效果的影响。结果表明，在前50 min 内，Ni2+的去除率急剧上升，50~100 min 内上升趋于平缓，之后Ni2+去除率趋于平稳。表明了活性炭纤维对含Ni2+废水的电吸附过程由快至慢， 最终于120 min 后达到平衡状态。
    3.2 活性炭纤维表面积对电吸附效果的影响
    在施加电极电位1.0 V，Ni2+初始质量浓度为50mg/L，电极板间距为120 mm 条件下，研究不同电极面积， 即活性炭纤维表面积对Ni2+电吸附效果的影响，结果见图2。
    

    由图2 可以看出，当电吸附实验达到平衡时，随着活性炭纤维表面积的增大， 对Ni2+的去除效果最佳。达到吸附平衡状态时，30 cm2 的活性炭纤维对应的去除率最终可达到16.23%，40 cm2 活性炭纤维达到18.03%，活性炭纤维表面积为50 cm2 时对重金属离子的电吸附效果最好， 对应的去除率可达27.03%。因此，活性炭纤维对Ni2+的吸附量和吸附率均随其表面积的增加而提高。活性炭纤维表面积的增加，可以使电场的范围增大，有利于Ni2+的定向移动，提高电吸附率。
    3.3 溶液初始浓度对电吸附效果的影响
    在施加电极电位为1.0 V，活性炭纤维表面积为50 cm2，电极板间距为30 mm 条件下，研究Ni2+初始质量浓度分别为20、30、40、50 mg/L 时对应的电吸附率，结果见图3。
    

    由图3 可以看出，对于不同初始浓度的Ni2+溶液，电吸附达到平衡时，浓度低的溶液吸附率较高。当溶液的初始质量浓度从50 mg/L 变化到20 mg/L时，吸附平衡时的吸附率从37.74%提升至88.15%，相应的平衡质量浓度分别为31.13、2.37 mg/L。由此可见，本装置对低浓度的Ni2+溶液有较好的电吸附效果， 可能是受到电吸附装置所提供的电场和电吸附活性电极电位不够所致。可知，当溶液的初始质量浓度为20 mg/L 时， 对Ni2 +的吸附效果最佳。
    3.4 电极电位对电吸附效果的影响
    在活性炭纤维表面积为50 cm2， 电极板间距为120 mm，Ni2+初始质量浓度为50 mg/L 条件下， 调节电极电位分别为0.5、1.0、1.5 V， 研究不同电极电位对Ni2+电吸附效果的影响，结果见图4。
    

    由图4 可以看出，随着施加电极电位的升高，对Ni2+的吸附率增大。但当施加电极电位为1.5 V 时，去除率却有所降低。根据Ni2+的标准电势电极电位（-0.257 V）和水的标准电势电极电位（-0.827 7 V）可知，由于施加电场电极电位过高，会使得水溶液发生电解（在实验中明显可以看到有大量气泡逸出，可证实这一点），因而吸附率反而下降。故可以得出，当所施加的电极电位为1.0 V 时，对Ni2+的去除效果最佳。
    3.5 板间距对电吸附效果的影响
    在施加电极电位为1.0 V， 活性炭纤维表面积50 cm2，Ni2+初始质量浓度为50 mg/L 条件下，电极板间距分别为30、60、90、120 mm， 研究不同板间距对电吸附效果的影响。结果见图5。
    

    由图5 可以看出， 随着电极板间距的减小，对Ni2+的电吸附效果越好。根据双电层理论〔8〕，电极间距比较小时， 在相同的电极电位下产生的双电层比较厚，吸附容量因而得以提高。本实验中，当电极板间距为30 mm 时，对Ni2+电吸附效果最佳，吸附率达到46.05%。
    4· 动力学分析
    为考察Ni2+在ACF 电极上的吸附动力学行为，将初始质量浓度为40 mg/L 的模拟废水在电极电位为0.5、1.0、1.5 V 正电极化下的电吸附数据分别进行准一级、准二级动力学拟合，结果见表1。
    

 
    由表1 可知，ACF 电吸附Ni2+过程经准二级拟合后线性程度最好，说明ACF 电吸附Ni2+过程遵循拟二级反应动力学规律。
    5 ·结论
    （1）在施加电极电位为1.0 V，活性炭纤维表面积为50 cm2，电极板间距为30 mm，溶液初始质量浓度为20 mg/L 条件下， 达到平衡后，Ni2+的去除率可达88.15%。
    （2）实验研究了活性炭纤维表面积、电极电位、电极板间距、溶液初始浓度的变化对含模拟电镀废水中Ni2+的吸附效果影响。通过分析得出：电吸附装置对低浓度Ni2+有较好的吸附效果； 复合电极有效面积的增加不但可以增加电极对Ni2+的电吸附量，还可以增加电吸附的效率；电极板间距越小，电吸附效果越好；电极电位的提高可以有助于电吸附过程，但过高的电极电位（1.5 V 以上）将导致电解反应，产生大量气泡，影响吸附效果，增加能耗。通过动力学模拟，ACF 电吸附Ni2+过程遵循拟二级反应动力学规律。
    （3）开发和应用电吸附对电镀废水的处理、回收其中重金属， 还需要对多种重金属同时存在时的电吸附过程进行研究；应用过程中，应控制电吸附电极电位，同时研发出电极板面积较大、间距较小的高效电吸附装置，将有效推动该项技术的应用和发展。