改性糠醛渣對(duì)廢水中鎳離子的吸附性能

任廣軍，邢 琦，王曉朋

(沈陽理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽 110159)

引 言

鎳廣泛用于電鍍、催化、電池以及功能材料等領(lǐng)域，鎳的大量使用不僅加快了鎳資源的消耗也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染［1］。目前處理含鎳廢水多采用離子交換法、活性炭吸附法、化學(xué)沉降法及電解法等［2-5］。其中吸附法以其高效率、低成本、易操作和無二次污染等優(yōu)點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)，其中尤以吸附劑的研究備受關(guān)注。

糠醛渣是以玉米芯為原料，經(jīng)高溫水解提取化工原料糠醛后得到的固體廢渣，該渣具有較大的比表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)，對(duì)水中污染物有很好的吸附作用［6-7］。將糠醛渣用于廢水處理，可以達(dá)到以廢治廢的目的，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益的統(tǒng)一。本文研究了改性糠醛渣對(duì)廢水中鎳離子的吸附性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)儀器為WYX-9003 A型火焰原子吸收分光光度計(jì);SHY-2A型水浴恒溫振蕩器;800型離心沉淀器;PHS-3C型精密酸度計(jì)。

試劑為檸檬酸(上海化學(xué)試劑有限公司)、異丙醇和氫氧化鈉等，均為分析純。

1.2 糠醛渣的改性

采用異丙醇、NaOH和檸檬酸依次對(duì)糠醛渣進(jìn)行處理，以降低糠醛渣中纖維素的聚合度和結(jié)晶度，破壞木質(zhì)素、半纖維素的結(jié)合層，脫去木質(zhì)素，增加有效比表面積，并引入具有配位功能的基團(tuán)，增加吸附能力。具體改性方法如下:

首先將糠醛渣用清水浸泡后再用蒸餾水洗滌，烘干至質(zhì)量恒定。將處理好的糠醛渣用研缽粉碎，用20%的異丙醇浸泡24h后抽濾，水清洗至出水無色。將樣品置于干燥箱中，在80℃烘干24h。之后加入20%的NaOH溶液，攪拌1h，室溫下抽濾后，再加入蒸餾水?dāng)嚢?5min，在室溫下水洗抽濾后，將樣品放入80℃干燥箱中烘干24h，后將其浸入一定濃度的檸檬酸溶液中，在25℃下攪拌1h，抽濾，在室溫下水洗，抽濾后，在80℃烘干箱中烘干24h。粉碎過180μm篩后即得改性糠醛渣吸附劑。

1.3 吸附實(shí)驗(yàn)

在一組200mL錐形瓶中，分別加入 50mL ρ(Ni2+)=20mg/L的廢水和準(zhǔn)確稱量的改性糠醛渣，在振蕩器上振蕩吸附一定時(shí)間后取出，用微孔濾膜過濾，用火焰原子吸收分光光度計(jì)測濾液的吸光度，計(jì)算濾液中鎳離子質(zhì)量濃度及改性糠醛渣吸附鎳離子平衡吸附量qe:

式中:qe為平衡吸附量，mg/g;ρ0為鎳離子初始質(zhì)量濃度，mg/L;ρ為吸附平衡鎳離子質(zhì)量濃度，mg/L;V為定容體積，L;m為改性糠醛渣的加入質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH對(duì)吸附的影響

在改性糠醛渣加入質(zhì)量為0.02g，θ為25℃，吸附振蕩t為30min的條件下，考查溶液pH對(duì)改性糠醛渣吸附的影響，結(jié)果見圖1。由圖1可見，pH對(duì)吸附鎳影響很大，當(dāng)pH＜3時(shí)改性糠醛渣對(duì)鎳吸附量小，隨著pH的增大其吸附量逐漸增加，pH=7時(shí)吸附量最大，為19.56mg/g，再提高pH，吸附量先下降后上升。可見，強(qiáng)酸性及堿性條件下均不利于吸附鎳，弱酸性及中性條件下利于吸附鎳。因此，本次實(shí)驗(yàn)選取pH=7。

圖1 pH對(duì)吸附鎳的影響

2.2 振蕩時(shí)間對(duì)吸附的影響

在改性糠醛渣加入質(zhì)量為0.02g，θ為25℃，溶液pH為7的條件下，考查吸附振蕩時(shí)間對(duì)改性糠醛渣吸附鎳離子的影響，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，在吸附前30min，吸附量迅速上升，從17.23 mg/g增加到19.01mg/g;30min后隨著時(shí)間的增加，吸附量趨于平衡。這種現(xiàn)象可能是因?yàn)殚_始快吸附是一種表面作用，吸附速度較大;接著的慢吸附則是水中鎳離子向糠醛渣的內(nèi)部遷移、擴(kuò)散，這一過程的速度較小。因此，確定改性糠醛渣對(duì)鎳離子吸附t為30min。

圖2 時(shí)間對(duì)糠醛渣吸附鎳的影響

2.3 吸附劑質(zhì)量對(duì)吸附的影響

在θ為25℃，溶液pH為7，吸附振蕩t為30min的條件下，考查改性糠醛渣加入質(zhì)量對(duì)吸附鎳離子的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，當(dāng)改性糠醛渣質(zhì)量從0.005g增加到0.020g時(shí)，吸附量逐漸升高，糠醛渣對(duì)鎳離子的吸附量從13.44mg/g增加到17.99mg/g。但當(dāng)糠醛渣質(zhì)量大于0.02g時(shí)，吸附量變化不明顯。說明隨著吸附溶液中改性糠醛渣質(zhì)量的逐漸增加，吸附量逐漸增加，此時(shí)吸附量提高的原因是吸附劑量的增加一方面增大了吸附表面積，另一方面增加了參與吸附的官能團(tuán)數(shù)目。綜合考慮，確定改性糠醛渣對(duì)鎳離子的吸附質(zhì)量為 0.02g。

圖3 改性糠醛渣質(zhì)量對(duì)吸附鎳的影響

2.4 糠醛渣吸附鎳離子的等溫線

在50mL鎳離子初始質(zhì)量濃度分別為12.5、15.0、17.5、20.0、22.5 和 25.0mg/L 的溶液中加入0.02 g改性糠醛渣，在 T分別為 298、308、318K 條件下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)，采用本文1.3所述的方法測定溶液中鎳離子的剩余質(zhì)量濃度ρe，并計(jì)算鎳離子在改性糠醛渣中的吸附量qe。以吸附量qe(mg/g)對(duì)平衡時(shí)水中鎳離子的質(zhì)量濃度ρe(mg/L)作圖，得到等溫吸附曲線，如圖4所示。由圖4可見，隨著鎳離子平衡質(zhì)量濃度的增大，平衡吸附量增加。

圖4 吸附等溫線

采用Langmuir等溫方程和Freundlich等溫方程對(duì)圖4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理。

1)Langmuir等溫方程

式中:qe為平衡吸附量，mg/g;ρe為吸附平衡質(zhì)量濃度，mg/L;Q0(mg/g)、KL(L/mg)為 Langmuir常數(shù)。

2)Freundlich等溫方程

式中:KF［(mg/g)·(L/mg)1/n］，n 為 Freundlich常數(shù)。

回歸得出的Langmuir和Freundlich等溫方程參數(shù)見表1。由表1兩方程的相關(guān)系數(shù)R2可知，回歸結(jié)果呈良好的線性關(guān)系，表明Langmuir等溫方程和Freundlich等溫方程都能很好地描述改性糠醛渣對(duì)水中鎳離子的吸附。Q0、KF等與吸附量有關(guān)的常數(shù)都隨著吸附溫度的升高而增大，表明改性糠醛渣吸附水中鎳離子的過程為吸熱過程，溫度升高有利于吸附進(jìn)行。

表1 改性糠醛渣對(duì)鎳離子的吸附平衡模型參數(shù)

3 結(jié)論

1)改性糠醛渣對(duì)鎳離子具有很好的吸附能力，在50mL含20mg/L的鎳離子廢水中，當(dāng)溶液pH為7，吸附振蕩 t為30min，吸附劑質(zhì)量為0.02g時(shí)，改性糠醛渣對(duì)水中鎳的吸附量為19mg/g左右。

2)分別采用Langmuir和Freundlich等溫線模型鎳離子吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。結(jié)果顯示，在所研究的溫度和質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，Langmuir和Freundlich等溫方程均適宜描述鎳離子在改性糠醛渣上的吸附行為。

3)以糠醛渣作為吸附劑處理含鎳廢水，是一種有效的方法。該方法實(shí)現(xiàn)了以廢治廢的廢物資源化目標(biāo)，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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