不同吸附劑對水溶液中鋅離子吸附性能的影響

摘要：以連云港海域中的海洋沉積物和廢棄的木屑作為吸附劑，對水中Zn2+進行了吸附試驗。研究了這兩種吸附劑在改性前后吸附率的差異，探討了吸附時間、吸附溫度、pH、Zn2+濃度和吸附劑用量等因素對改性吸附劑吸附Zn2+的影響。試驗結果表明改性后的這兩種吸附劑具有較強的螯合和吸附作用，能有效地吸附鋅離子，且價格低廉具有研究前景。

關鍵詞：海洋沉積物；木屑；改性；鋅離子；吸附

中圖分類號：O657.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）23-5307-04

Adsorption Ability of Different Sorbent to Zn2+ in Water Solution

HAN Zhao-xiang，ZHU Ting，WU Dan-dan，ZHU Zhen，WU Jue

（School of Chemical Engineering， Huaihai Institute of Technology， Lianyungang 222005，Jiangsu，China）

Abstract： The marine sediment in Lianyungang sea area and waste sawdust were used as sorbent to adsorb Zn2+ in water. The adsorption rate of the two sorbent before and after modification was studied； and the effects of adsorption time， temperature， pH， Zn2+ concentration and sorbent dose on the adsorption ability to Zn2+ was discussed. The results showed that modified sorbent has strong chelating and adsorption ability， thus could adsorb Zn2+. These two sorbent was cheap and had research prospect.

Key words： marine sediments； wood； modified； zinc ions； adsorption

由于工業的快速發展，制革、電鍍及鋅鹽生產等產生的廢水造成了嚴重的鋅污染，這種污染和其他重金屬污染一樣，會在人體和動植物體內沉積，造成不可估量的危害，嚴重影響人體的健康和動植物的生長，因此含鋅廢水的處理已受到人們的廣泛關注[1]。采用海洋沉積物和木屑作為生物吸附材料，具有來源豐富、成本低、吸附速度快、吸附量大及選擇性好等優點，通過改性處理以提高其吸附的效率，為重金屬污染的治理提供了一條低成本、無毒副作用的有效途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器

TAS-990原子吸收分光光度計（北京普析）；TDL-5A臺式低速大容量離心機（海悅豐儀器）；PHS-3C精密pH計（上海雷磁）；DHG-9240型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海一恒）；HZQ-C空氣浴振蕩器（哈爾濱東明）。

1.2 方法

1.2.1 溶液的配制 鋅標準貯備液：稱取六水合硝酸鋅（優級純）0.910 2 g，用去離子水溶解后，移入1 000 mL容量瓶中定容備用。鋅標準液的配制：準確稱取200 mL鋅標準儲備液于1 000 mL容量瓶中，加去離子水至標線，即濃度為20 mg/L的鋅吸附液。在一定條件下進行吸附劑吸附鋅離子的熱力學和相關參數（如溫度，吸附液pH）影響其吸附性能的試驗。

1.2.2 吸附劑的采集 海洋沉積物采自連云港的近海海域；木屑為連云港某工地的廢棄木屑。

1.2.3 吸附劑的改性 稱取25.0 g已研磨過篩的海洋沉積物（或木屑）于500 mL三角瓶中，加入硫酸溶液200 mL，于水浴鍋中恒溫一段時間，冷卻，濾出海洋沉積物（或木屑），去離子水洗至pH值為6，風干，稱重，備用。

1.2.4 計算公式 吸附率（q）按q=■×100%計算；吸附容量（Q）按Q=■計算；

式中，C0為吸附前重金屬離子的濃度（mg/L）；C為吸附后重金屬離子的濃度（mg/L）；m為投加吸附劑的質量（g）；V為吸附溶液的體積（L）；q為吸附劑吸附率（%）；Q為單位重量吸附劑的吸附容量（mg/g）。

2 結果與分析

2.1 影響吸附劑改性效果的因素

在制備改性木屑時，硫酸濃度、溫度及時間是影響其性能的主要因素[2]。因此，選擇硫酸濃度分別為10%、20%和30%，溫度為50、75和90 ℃，處理時間分別為1.0、1.5 和 2.0 h，按正交試驗方案進行試驗。選擇最優條件對其進行處理。在木屑進行改性后，分別取0.50 g試樣于100 mL錐形瓶中，加入25 mL已知濃度的鋅離子溶液，置于恒溫振蕩器中進行振蕩，所有試驗的振蕩速度均為200 r/min，經一定的溫度和吸附時間處理后取出吸附液，經定量濾紙過濾后用原子吸收分光光度計測定吸附液中剩余的鋅離子濃度。由表1可知，選用20%的硫酸于75 ℃處理2 h為最適宜條件。

2.2 改性前后吸附劑吸附鋅離子特性

2.2.1 改性前后沉積物對鋅離子的吸附能力比較 分別取未改性的沉積物和經過最優改性的沉積物樣品0.50 g于100 mL錐形瓶中，加入25 mL已知濃度的鋅離子溶液，置于恒溫振蕩器中進行振蕩，振蕩速度均為200 r/min，經一定的溫度和吸附時間處理后取出吸附液，經定量濾紙過濾后用原子吸收分光光度計測定吸附液中剩余的鋅離子濃度。由表2可知，沉積物在改性后，其吸附鋅離子的能力明顯提高。

2.2.2 改性前后木屑對鋅離子的吸附能力比較 分別取未改性的木屑和經過最優改性的木屑樣品0.50 g于100 mL錐形瓶中，加入25 mL已知濃度的鋅離子溶液，置于恒溫振蕩器中進行振蕩，振蕩速度均為200 r/min，經一定的溫度和吸附時間處理后取出吸附液，經定量濾紙過濾后用原子吸收分光光度計測定吸附液中剩余的鋅離子濃度。結果由表3可知，木屑在改性后，其吸附鋅離子的能力明顯提高。

通過上述比較，不難發現沉積物和木屑在改性后，吸附鋅離子的能力都有了明顯的提高，且木屑的吸附率無論在改性前還是改性后，較沉積物的吸附率都大，是一種優于沉積物的吸附劑。

2.2.3 吸附時間對吸附能力的影響 吸附時間是影響吸附劑吸附鋅離子的一個因素。將沉積物和木屑分成兩組，每組分別取8個250 mL的錐形瓶分別放入25 mL鋅標準溶液。吸附劑的投加量均為0.50 g，吸附溫度為25 ℃，溶液pH 5.0，振蕩速度為200 r/min，當吸附時間為2、5、10、30、60、120、180和360 min時取出并測定剩余鋅離子濃度。

由圖1和2可知，沉積物和木屑兩種吸附劑對金屬鋅離子的吸附率隨時間而增加，并都呈現出相同的趨勢，但并不成線性關系，且木屑的吸附率較沉積物優越，隨著吸附時間越來越充分。兩種吸附劑對Zn2+的吸附容量隨時間變化趨勢較相似，在120 min內，兩種吸附劑對Zn2+的吸附容量均上升較快，120 min后趨于緩慢，在180 min接近達到吸附平衡。

2.2.4 pH對吸附能力的影響 將沉積物和木屑分成兩組，每組取7個300 mL的錐形瓶分別放入100 mL鋅標準溶液。吸附劑投加量為0.50 g，吸附溫度為25 ℃，吸附時間為2 h，振蕩頻率為200 r/min，pH分別為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0，測定剩余鋅離子含量。

由圖3可知，在pH值為2.0時，沉積物和木屑對金屬鋅的吸附作用不明顯，對于兩種不同的吸附劑，其pH的變化對吸附率的影響趨勢大致相同，但pH在2～3范圍時，沉積物的吸附率略小于木屑的吸附率，但當pH>3后，沉積物的吸附效果比木屑好。在pH≥5時，兩者的吸附率基本都穩定，因此在進行其他對照試驗時均取pH=5作為試驗條件。

2.2.5 溫度對吸附能力的影響 將試驗分成兩組，每組取5個100 mL的錐形瓶分別放入25 mL重金屬標準溶液。吸附劑的投加量為0.50 g，吸附時間為2 h，振蕩頻率為200 r/min，pH為5.0，吸附溫度分別為20、30、40、50和60 ℃，吸附后測定剩余鋅離子的含量。由圖4可知，溫度對木屑吸附率有一定的影響，但影響不大。當溫度由20 ℃上升到60 ℃時，沉積物的吸附率上升了21.2個百分點，木屑的吸附率上升了12.0個百分點。當溫度升高時吸附率隨之上升證明吸附過程為吸熱過程，但由于溫度對吸附效果的影響并不太明顯，因此試驗選擇吸附溫度為25 ℃。

2.2.6 吸附劑用量對吸附能力的影響 分兩組試驗，每組取8個250 mL的錐形瓶分別放入25 mL重金屬標準溶液，吸附時間為2 h，振蕩頻率為200 r/min，pH為5，吸附溫度為25 ℃，吸附劑的投加量分別為0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70和0.80 g，吸附后測定剩余鋅含量。由圖5和6可知，溶液中金屬離子濃度一定時，增加吸附劑的用量，兩種吸附劑對金屬鋅離子的吸附率隨之提高，但單位質量的吸附劑吸附容量卻下降，且當吸附劑的投加量達到一定量后，再繼續增加吸附劑的量時吸附率的增加量減小，曲線的變化趨勢趨于平緩。吸附率迅速增加是由于有更多可以利用的交換點位及更大的表面積，吸附容量下降是因為吸附位置沒有達到飽和吸附[3]。

2.2.7 吸附液初始濃度對吸附能力的影響 將沉積物和木屑分成兩組，吸附時間為2 h，振蕩頻率為200 r/min，pH為5，吸附溫度為25 ℃，吸附劑的投加量為0.50 g，吸附液的初始濃度分別為10、20、30、40、50和60 mg/L，吸附后測定剩余金屬鋅的含量。由圖7和8可知，隨鋅離子初始濃度的增加，兩種吸附劑的吸附率均依次減小，但吸附劑對鋅離子的吸附總量是增加的。表明溶液中鋅離子濃度較小時，吸附劑上活性位點未達到飽和吸附，隨著金屬鋅離子濃度的增加，活性位點逐漸趨于飽和。

3 結論

通過沉積物和木屑這兩種吸附劑在改性前后對水溶液中重金屬鋅離子的吸附率的影響以及兩種吸附劑的吸附試驗，討論了吸附時間、吸附溫度、溶液pH、吸附劑用量、初始吸附液濃度對重金屬鋅離子的吸附情況，結論如下：

1）兩種吸附劑進行改性處理后，其吸附鋅離子的能力比未改性前有明顯的提高。沉積物和木屑對水溶液中鋅離子的吸附去除率與溶液的pH、吸附作用時間、吸附溫度和初始濃度等因素有關。

2）沉積物和木屑的鋅離子吸附去除率隨時間增大逐漸增大，但當吸附達到飽和時，吸附量將不再增大，在曲線上反映出一個平臺的趨勢。吸附會在一段時間內達到平衡。

3）溶液的pH和溫度對沉積物和木屑吸附去除鋅離子的作用有較大影響，隨著溶液pH升高，兩者對鋅離子的吸附量也快速增加。隨著溫度的升高，吸附率隨之緩慢增大，當溫度上升到某一值時，吸附率逐漸趨于平衡。

4）吸附劑的用量增加，吸附率增加而吸附容量減少。隨著鋅離子初始濃度的增加，沉積物和木屑對鋅離子的吸附率均呈現下降的趨勢，但這兩種吸附劑對鋅離子的吸附總量都是增加的。

5）利用沉積物和木屑吸附含鋅廢水，其工藝簡單、去除效果較好，且吸附了鋅離子的沉積物和木屑可用于制備輕質磚，避免鋅離子對環境的二次污染。

參考文獻：

[1] SHETA A S， FALATAH A M. Sorption characteristics of zinc and iron by natural zeoliteand bentonite[J]. Microporous and Mesoporous Materials，2003，61（1-3）：127-136.

[2] TSENG R L， TSENG S K. Pore structure and adsorption performance of the KOH-activated carbons prepared from corncob[J].Journal of Colloid and Interface Science，2005，287（2）：428-437.

[3] FLAVIANE VILELA PEREIRA.，LEANDRO VINICIUS ALVES GURGEL. Removal of Zn2+ from aqueous single metal solutions and electroplating wastewater with wood sawdust and sugarcane bagasse modified with EDTA dianhydride（EDTAD）[J]. Journal of Hazardous Materials，2010，176 （1-3）：856-863.

（責任編輯 張 毅）