油菜花秸稈制備的活性炭對銅離子吸附的實驗研究

朱彥莉　鄧峰煜　陳思思　吳曉磊

摘 要:活性炭吸附法是處理含重金屬廢水的重要方法,本實驗采用氫氧化鈉活化法,以廢棄的油菜花秸稈為原料,馬弗爐加熱炭化,水洗、干燥制備生物質活性炭,并用其對重金屬銅離子進行了吸附實驗。在正交實驗設計的基礎上,通過對實驗結果的極差分析,得出結論:pH是影響銅離子去除率的主要因素,其次是活性炭顆粒的粒徑。此外采用單因子控制法,定性分析了pH和顆粒粒徑對銅離子去除率的影響,得出活性炭對銅離子吸附時的最佳pH為4～6,最適粒徑為1.0mm。

關鍵詞:油菜花秸稈活性炭銅離子吸附

中圖分類號:X13 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0002-02

環境污染問題特別是由造紙、采礦、電鍍等工業活動產生的重金屬污染問題越來越嚴重。重金屬在環境中不可自行分解,隨食物鏈傳遞在生物體內積累,最終引發慢性或急性中毒。對含重金屬離子的廢水,傳統的處理方法有化學沉淀、離子交換、化學氧化與還原、反滲透、電滲析以及超濾等[1]。然而傳統技術都存在一定程度的局限性,包括處理效率低、運行條件嚴、處理費用高等。目前新型的處理技術是活性炭吸附,活性炭是一種具有發達孔隙結構和較強吸附能力的含碳材料,具有耐酸、耐堿、耐高溫、不產生二次污染等優點,而這技術需要大量的活性炭,因此,亟待開發運行成本低、吸附能力強、處理效率高、環保效益好的新型吸附劑。

目前國內外許多學者采用農業廢棄物作為活性炭制備原料,如佟雪嬌、李九玉等制備了稻草炭[2],魯秀國、饒婷等用廢棄核桃殼粉合成活性炭[3],而孔海平等利用花生殼制備活性炭[4],但有關廢棄油菜花秸稈制備的活性炭的相關吸附研究甚少。本文以油菜花秸稈為原料,用氫氧化鈉改性制備了活性炭,并用所制備的活性炭對銅離子進行了吸附實驗,研究結果可為含銅廢水處理提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

電子分析天平(AB104—S)、調速多用振蕩器(ZD-8801)、馬弗爐(DHG-9425A)、精密PH儀(PHS-3C)、原子吸收分光光度儀(SolaarMk2-M)、電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG—9123A)、篩子。

1.2 實驗步驟

1.2.1 活性炭的制備(氫氧化鈉活化法)

將油菜花秸稈洗凈、晾干、切斷,放入400℃馬弗爐炭化1h,冷卻后得初步碳化炭粉,將其與NaOH顆粒3∶1混合后放入馬弗爐380℃保溫30min,后750℃保溫1h,待冷卻,將產物用去離子水洗滌至pH恒定(6附近),120℃鼓風干燥箱,烘干,制得活性炭[5]。

1.2.2 模擬微污染水的配制

用分析天平稱取一定質量的CuSO4·5H2O,用蒸餾水溶解,配成銅離子濃度為100mg/L的溶液,實驗時將該水樣稀釋為所需濃度為60.445mg/L的模擬微污染水。

1.2.3 吸附實驗步驟

(1)正交實驗設計

針對活性炭對銅離子吸附時的影響因素PH和吸附劑粒徑的重要性設計了本次正交實驗,對每個因素取三個水平,正交實驗表如表1所示。

(2)單因子影響實驗

取一定濃度的100mL模擬微污染水于250mL錐形瓶中,加2g已用油菜花秸稈制備的活性炭,放入調速多用振蕩器于室溫25℃下振蕩60min(轉速為200r/min),吸附后用濾紙過濾,取其濾液測定銅離子濃度,實驗采用單一因素控制變量法,考察pH、吸附劑粒徑對吸附效果的影響。

1.2.4 吸附效果表征

吸附效果用銅離子的去除率(D,%)來表征。其計算式如下;

D=(C0-C1)/C0*100%

式中:C0、C1分別為吸收前后銅離子的質量濃度mg/L

2 結果與討論

2.1 正交實驗結果分析

依據表1正交實驗表所列順序進行實驗,并對所得數據進行極差分析,結果如表2所示

從極差分析可知,對銅離子去除的影響因素是pH值大于吸附劑粒徑,通過綜合分析可知,二者的最佳組合為pH=4,吸附劑粒徑為0～0.074mm,此時,銅離子的去除率高達98.2%。

2.2 單因子影響實驗結果分析:

2.2.1 水樣pH對吸附實驗效果的影響:

圖1結果表明,油菜花秸稈制備的活性炭對銅離子的吸附去除率在酸性范圍內隨pH增加而增大,其中,在pH2～3范圍內銅離子去除率隨pH升高顯著增加,但在pH3～6范圍內,銅離子去除率隨pH升高的增幅較小,說明溶液的pH值變化對銅離子的去除率影響較大。

造成這種現象的主要原因是溶液pH可以影響銅離子在水溶液中的存在形式和吸附劑表面功能集團的帶電狀態,從而影響它們間的相互作用。當pH在酸性范圍內時,銅離子以Cu2+、CuOH+兩種形態存在尤以Cu2+顯著,吸附劑表面所帶的負電荷與Cu2+之間存在靜電作用力,隨著PH增大,H+的濃度減小,活性炭表面的-COOH、-OH基的解離程度增大,活性炭對銅離子的靜電引力變大,H+的競爭效應變小,最終活性炭對銅離子的吸附能力變強,銅離子的去除率變大。當pH增大到4～6之間,活性炭與Cu2+之間存在吸附作用,同時存在絡合反應(Cu2+與-COOH、-OH)。在中性至堿性溶液中,吸附劑與銅離子之間存在吸附作用,同時Cu(OH)2生成,此時,Cu2+的去除率進一步提高,但當pH過高時,溶液呈膠體狀態,不易固液分離且不利于吸附劑的綜合利用[6-9]。綜合各種因素,吸附劑對銅離子吸附的最佳pH為4～6。

2.2.2 吸附劑粒徑對吸附實驗效果的影響:

從圖2可以看出,在0～1.00mm范圍內,銅離子的去除率隨著粒徑的增大而增大,但當粒徑大于1.00mm時,銅離子的去除率反而隨粒徑的增大而減小,因此,最適粒徑在1.00mm附近。此外,可以看出,粒徑的變化對銅離子去除率的影響并不大。

高溫化學活化是油菜花秸稈與活化劑發生多種化學反應、氧化侵蝕炭體的過程,活化完成后,將活化劑洗滌溶解后,在炭體上留下無數微孔,形成大比表面積的活性炭。當氫氧化鈉做活化劑時,生成可溶性硅酸鈉、碳酸鈉等小分子物質,經水洗過程被除去并留下孔徑均一的微孔[7]。當吸附劑的粒徑過小,可能改變其原有結構,破壞其吸附性能,導致銅離子的去除率較低;當粒徑過大時,其比表面積變小,去除率降低[3]。

3 結語

(1)用油菜花秸稈制備的活性炭對銅離子的去除具有較好的效果,通過正交實驗可知,油菜花秸稈制備的活性炭對銅離子的去除影響因素中,pH的影響大于吸附劑粒徑。

(2)在正交實驗的基礎上利用質量控制法進行了單因子影響實驗,分別探討pH和吸附劑粒徑對銅離子去除率的影響,得出結論:油菜花秸稈制備的活性炭對銅離子的吸附去除率在酸性范圍內隨pH增加而增大,且吸附最佳pH為4～6.;吸附劑粒徑對銅離子的去除影響較小,且在一定范圍內,去除率隨粒徑的增大先增大后減小,最適粒徑在1.0mm附近。

參考文獻

[1] 楊豐科,王守滿等.利用農業廢棄物作為吸附劑處理重金屬離子.化學與生物工程2009,26(6).

[2] 佟雪嬌,李九玉,袁金華等.稻草炭對溶液中Cu(Ⅱ)的吸附作用.環境化學2012,31(1).

[3] 魯秀國,饒婷,鐘璐.廢棄核桃殼粉對模擬微污染水中總鐵的靜態吸附特性研究.環境污染與防治2011,33(1).

[4] 孔海平,靳會杰,雒廷亮.利用花生殼制備活性炭及其性能的測定.河南化工2006(23).

[5] 厲悅,李湘洲,劉敏.氫氧化鈉法稻殼基活性炭制備及表征.安徽農業科學2010,38(11).

[6] 李榮華,張院民,張增強等.農業廢棄物核桃殼粉對Cr(Ⅵ)的吸附特征研究[J].農業環境科學學報,2009,28(8):16931700.

[7] 陳麗萍,司秀榮,李凌云.磷酸活化活性炭對Cu2+的吸附特征研究生態環境學報2011,20(2).

[8] 張蕊,葛瀅.稻殼基活性炭制備及其對重金屬吸附研究.環境污染與防治2011,33,41-45.

[9] 李芳蓉,何玉鳳,王榮民等.黃原酸化膨潤土對Cu2+的吸附性［Ｊ］．環境化學2008,27(6).