实验室含铅、镉废水的处理方法探究
铅、镉是废水排放标准中严格控制的第一类污染物，这类物质能在环境或动植物体内蓄积，对人体健康产生长远的不良影响。GB8978-88规定了车间或处理设施排放口排水的最高容许排放浓度，随着我国工业和经济的发展，江河、湖库、地下水都不同程度地受到了污染。
近年来,环境矿物材料以其经济、有效、无二次污染等特点,在重金属废水处理和土壤修复方面显示出了众多优势,可替代传统的铅镉污染处理方法。本文叙述了应用一种新型环境矿物材料羟基磷灰石(Hap)处理实验室铅镉废水方法并提出了一些建议。
1 羟基磷灰石作用机理
羟基磷灰石(Hap)四面体六角晶，在水中的溶解度为0.4mg/L，分子式为Ca10(PO4)6(OH)2 ，动物骨、牙的主要无机组分,也是合成生物材料的重要原料。近来年,日本铃木乔等人发现,水溶液中的某些阳离子可保留在合成的羟基磷灰石上,其行为类似于水溶液中阳离子与磷灰石晶格中Ca2+之间的离子交换反应,而不仅仅涉及表面吸附过程.对溶液中离子的去除顺序为Pb2+>Cd2+>Zn2+>Mn2+>Hg2+[2,3] 。介质的pH值是影响Hap去除金属离子行为较为复杂的因素之一，它决定了水溶液中金属离子的赋存状态及Hap的溶解特性与表面性质等，而这些因素与Hap的去除金属离子行为密切相关。络合平衡计算，铅、镉离子在不同pH值时具有不同的型体及分布系数。Hap在空白溶液中的表面电动电势ζ为负值，且随pH值的增加其电负性增大。由此可知Hap去除金属离子的作用机理是表面络合与表面电位吸附。同时Hap溶解性不仅与溶液中酸性呈正相关，在含金属离子溶液中溶解时，还包括离子交换模型，即溶液中的重金属离子与Hap中的钙离子发生交换作用。从溶解特性的角度推测： Hap去除重金属离子过程中存在有离子交换作用机理。所以其主要的去除机理包括吸附、表面络合、溶解－沉淀以及重金属离子与晶格中之间的离子交换作用。一般而言，被吸附的重金属离子可固化在晶格中而不出现解吸，因此不会产生二次污染。
2 实验与结果
2. 1实验设备
日本岛津AA6800原子吸收分光光度计
铅、镉空心阴极灯
2.2 羟基磷灰石的合成
将市售化学纯的Ca(OH)2和Ca3(PO4)2粉末按1∶1摩尔比均匀混合后,盛入瓷舟中,置于管式电阻炉内稳定的高温带上,在1100℃、常压下煅烧2h,从燃烧管的一端通入稳定流量的水蒸汽.反应结束后,冷却反应产物,并用4%的NH4Cl溶液洗去残余的Ca(OH)2,得到纯度很高的羟基磷灰石[4]。
2.3 实验数据结果分析
在室温为25℃时，取初始浓度为10mg/L的实验室含镉废水每份各100ml，初始浓度为200mg/L的实验室含铅废水每份各250ml，加入盐酸或氢氧化钠调不同的pH后，不同剂量羟基磷灰石(Hap)，开始计时并搅拌，60min后停止搅拌，静止30min后倾取处理后样品的上清液，加优级纯硝酸调pH<2，用岛津AA6800型原子吸收分光光度计，用火焰分光光度法测定上清液的浓度,结果见表1。
因实验室铅镉贮备液分别为500mg/L和100mg/L，即使最佳效果的去除率为99%处理后的废水上清液仍达不到一类污染物的排放标准，而且废水仍呈酸性，这时同一浓度含铅镉废水取两份，一份待测定，另一份用消石灰或实验室用化学纯的氧化钙加入到倾出的上清液中调pH≥10,开始计时并搅拌半小时后静止过夜，第二天倾取处理后样品的上清液，和待测定样品一起加高纯硝酸调pH<2，用岛津AA6800型原子吸收分光光度计，石墨炉原子吸收分光光度法测定处理前后样品的浓度,结果见表2
经过上述两种方法的间歇式处理实验，高浓度的实验室含铅镉废水已达到GB3838-88地面水三级质量标准，加适量废酸调PH中性即可倒入下水道。
3 结论
影响去除效果的因素：介质pH值、温度、吸附时间、离子的初始浓度、Hap的粒度和用量等。通常,对于不同离子,最佳吸附条件不同[5]。
从动力学角度来看，大致可分为两个阶段：初期阶段反应速度快，动力学过程复杂；后期阶段反应速度较慢，并符合一级反应动力学方程。实验研究表明：强酸(pH<3.5)条件下两种金属离子的去除率随pH值的升高增加较快，但当pH≥3.5时这种增加趋势变缓。
Hap对水溶性镉在初始浓度为10mg/L时的酸性溶液中 ，去除率与介质的pH、作用时间、Hap用量呈正相关 。通过正交实验确定了最佳吸附条件：pH值为6，搅拌时间为1h、吸附温度为25℃。在此条件下，Hap用量为5g/L,去除容量为2.0mg/g样品 )，对镉离子的去除率可达99%
Hap对铅离子的最优吸附条件为：pH≤3.5、搅拌时间为1h、吸附温度为25℃。在此条件下，Hap对200mg/L的实验室含铅废水进行实验铅离子的吸附容量达123mg/g,Hap用量1.6g/L，对铅离子的去除率可达98% 。
羟基磷灰石作为一种新型环境矿物材料对较高浓度的实验室铅镉废水具有很好的处理效果，具有去除速度快 ，在瞬间即可发生作用，而且不会产生二次污染等显著优点。采用消石灰二次处理的方法可以使较低浓度实验室含铅镉的废水达到地面水三级质量标准，将二者结合实验废水的处理方法具有实用性、可行性、安全性等优点，对从事重金属分析的实验室废水的处理有一定的推广价值。
参考文献
[1] 中国环境监测总站.环境水质监测质量保证手册[M].(第二版)北京,化学工业出版社,1994.
[2] TakashiSuzuki,ToshiakiHatsushika,YasumasaHayakawa.Synthetichydroxyapatitesasinorganiccation exchangers(Ⅰ).J.Chem.Soc.,FaradayTrans.1981,77:1059.
[3]TakashiSuzuki,KyoichiIshigaki,MichihiroMiyake.Synthetichydroxyapatitesasinorganiccationexchangers(Ⅱ).J.Chem.Soc.,FaradayTrans.1984,80:3157.
[4] 刘羽,钟康年,胡文云.用水热法羟基磷灰石去除溶液中铅离子的研究[J].武汉化工学院学报,1998,20:39-42.
[5] 胡恋,陈朝猛,谢水波.羟基磷灰石生物活性材料处理重金属废水的机理及效果研究[J].南华大学学报,2005,19:29-33.
作者简介：李坤（1978-），毕业于东北农业大学资源与环境学院环境保护专业，现大庆市环境监测中心站从事质量控制工作。
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