磁場中活性炭吸附重金屬離子的研究

劉鄧超, 李長波, 張洪林, 趙國崢, 邱 峰

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磁場中活性炭吸附重金屬離子的研究

劉鄧超, 李長波, 張洪林, 趙國崢, 邱 峰

（遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部， 遼寧 撫順 113001）

將磁化技術引入活性炭對重金屬離子的吸附中，考察了預磁和吸附過程中加磁對鐵離子、鎳離子和銅離子活性炭吸附容量的影響。實驗表明，經過磁化處理的活性炭對鐵離子和鎳離子的吸附容量下降，對銅離子的吸附容量增加。預磁的效果比吸附過程中加磁的效果要強，且隨著磁場強度的增加，活性炭對重金屬離子的吸附容量變化越大。

磁化技術；活性炭；吸附；重金屬離子

工業生產所排放的重金屬離子進入水體后,雖然一般只表現微量濃度,但因其難于被微生物降解,并通過生物富集作用不斷積累,容易對環境及人類健康造成巨大且持久的損害,現在已經成為世界污水治理研究的重點[1,2]。但是,采用傳統的離子交換、化學沉淀等傳統方法對重金屬離子的去除效果不佳,甚至有可能產生二次污染[3]。

上世紀80年代,我國開始了磁化技術在水污染處理方面的應用研究。磁化技術具有無毒無污染,應用方便、投資少、容易屏蔽等優點。磁化技術對水的表面張力[4]、結構[5]和粘度[6]都有影響,并能有效提高COD去除率[7]。而在實際應用中,磁化技術較多的與其他技術相結合,通過共同作用以達到對污水的處理目的[8,9]。這其中，將磁化技術與活性炭吸附結合起來的方式受到了人們的關注[10-13]，但較多的將目標物質設定為有機物，而較少考慮結合磁化技術與活性炭吸附來去除重金屬離子。本文考察了磁化技術對銅、鎳、鐵三種重金屬離子的活性炭吸附能力的影響，為磁化技術在重金屬離子吸附處理的應用提供數據基礎。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

五水硫酸銅（分析純，沈陽市試劑三廠），七水硫酸鎳（分析純，沈陽市試劑一廠），硫酸鐵（分析純，沈陽市試劑一廠），活性炭（河南新鄉活性炭廠）等。

六聯磁力加熱攪拌器（鄭州儀器廠），電光分析天平（上海天平廠），六聯多用攪拌器（中外合資深圳天南海北有限公司），CT5特斯拉計（上海第四電表廠）。

1.2 實驗方法

（1）吸附劑預處理：蒸餾水清洗活性炭，烘干，密封備用。

（2）磁場的建立：建立磁場強度為16 mT的較低磁場和磁場強度為50 mT的較強磁場。

（3）吸附時間的測定：將一定量的活性炭加入一定初始濃度的溶液中，在無外加磁場條件下振蕩，測定溶液濃度隨時間的變化，以確定實驗中最大濃度溶液的吸附飽和時間。

（4）吸附前施加較弱磁場對活性炭吸附性能的影響：將一定量的活性炭投入不同濃度金屬離子溶液中，在場強為16 mT的磁場作用下靜置12 h，同時在無磁條件下做對比樣靜置12 h。經3 h振蕩后取濾液測定溶液中剩余金屬離子濃度，以觀察較弱磁場對活性炭吸附能力的影響。

（5）吸附前施加較強磁場對活性炭吸附性能的影響：步驟與（3）基本相同，僅將磁場強度改為50 mT，以觀察較強磁場對活性炭吸附能力的影響。

（6）吸附過程中加磁對活性炭吸附性能的影響：將一定量的活性炭投入不同濃度金屬離子溶液中，施加場強為50 mT的磁場，用六聯攪拌器攪拌3h，并分別做對比樣。取濾液測定溶液中剩余金屬離子濃度，以觀察吸附過程中加磁對活性炭吸附性能的影響。

以上實驗均在15 ℃左右溫度下進行。

2 結果與討論

2.1 吸附時間的確定

經實驗測定，3種金屬離子的吸附平衡時間如表1所示。

表1 三種金屬離子的吸附平衡時間

2.2 吸附前施加較弱磁場對活性炭吸附性能影響

15 ℃、16 mT場強下活性炭對三種金屬離子吸附容量的變化如圖1、圖2和圖3所示。

由圖1-3可知，預磁處理對于鐵離子和銅離子的活性炭吸附容量的影響非常小。當鎳離子濃度低于80 mg/L時，經預磁處理會降低活性炭對鎳離子的吸附容量。

圖1 預磁對鐵離子活性炭吸附容量的影響(16 mT)

圖2 預磁對鎳離子活性炭吸附容量的影響(16 mT)

圖3 預磁對銅離子活性炭吸附容量的影響(16 mT)

2.3 吸附前施加較強磁場對活性炭吸附性能影響

15 ℃、50 mT場強下活性炭對3種金屬離子吸附容量的變化規律如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 預磁對鐵離子活性炭吸附容量的影響(50 mT)

由圖6可知，對于鐵離子溶液和濃度低于80 mg/L的鎳離子溶液，預磁處理后會降低其活性炭吸附容量。而對于銅離子溶液，經預磁處理后可增大其活性炭吸附容量。

2.4 吸附過程中加磁對活性炭吸附容量的影響

15 ℃、50 mT場強、攪拌下活性炭對3種離子吸附容量的變化規律如圖7、圖8和圖9所示。

圖5 預磁對鎳離子活性炭吸附容量的影響(50 mT)

圖6 預磁對銅離子活性炭吸附容量的影響(50mT)

圖7 加磁對鐵離子活性炭吸附容量的影響

Fig.7 Absorption isotherms of Fe3+with and without magnetic field

圖8 加磁對鎳離子活性炭吸附容量的影響

由圖9可知，吸附過程中加磁對三種離子活性炭吸附容量的影響趨勢與較強磁場預磁的影響趨勢基本相同，但同時在影響程度上略有不同。在吸附過程中加磁，活性炭對鐵離子和鎳離子的吸附容量減小程度略低于預磁處理，而對銅離子吸附容量的增加程度略低于預磁處理,即攪拌削弱了磁化處理對金屬離子活性炭吸附容量的影響。

圖9 加磁對銅離子活性炭吸附容量的影響

2.5 機理討論

總結以上實驗，磁化作用對銅離子的活性炭吸附容量有促進作用，而對鐵離子和鎳離子的活性炭吸附容量有抑制作用。從磁性角度考慮，硫酸鐵、硫酸鎳為鐵磁性物質，硫酸銅為順磁性物質，在外加磁場的作用下，不同的磁性可能導致了活性炭吸附容量的不同變化。

在一定磁場作用下，水原子的結構會被破壞，使溶液中較小的締合水分子或單個水分子的數量增多；而單個水分子的性質十分活潑，能夠充分顯露它的偶極子特性，從而增強水的極性。實驗所使用的活性炭的表面氧化物質以酸性氧化物為主，表現出較強的極性，從而對在磁場中表現出極性的水分子表現出較強的吸附能力。一種較為可能的推斷是：極性較強的水分子擠占了活性炭對鐵離子和鎳離子的吸附空間，從而降低了活性炭對鐵離子和鎳離子的吸附容量。

金屬離子溶液在有外加磁場的情況下，體系內粒子收到洛倫茲力的作用作回旋式運動。正負離子的運動方向相反，這就增加了金屬離子碰撞成團的可能，進而改變活性炭對金屬離子的吸附容量。而在攪拌的同時施加磁場時，對溶液的攪拌產生的液體流動擾亂了洛倫茲力對金屬離子的影響，從而表現出預磁與吸附過程中加磁對活性炭吸附容量的不同影響。

3 結論

（1）加磁對于銅、鐵和鎳離子在活性炭上的吸附容量的影響是不同。加磁能夠增加活性炭對銅離子的吸附容量，降低活性炭對鐵離子、鎳離子的吸附容量。

（2）預磁對活性炭金屬離子吸附容量的影響強于吸附過程中加磁，可能是由于攪拌產生的力對洛倫茲力的抵消。

（3）隨著磁場強度的增強，磁場對活性炭金屬離子吸附容量變化的影響越明顯。

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Absorption of Heavy Metal Ions on Activated Carbon in Magnetic Field

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(College of Chemistry,Chemical Engineering and Environmental Engineering,Liaoning Shihua University,Liaoning Fushun 113001, China)

The absorption of Fe3+, Ni2+and Cu2+on activated carbon in magnetic field was investigated. Effect of premagnetization and magnetizing in the absorption process on adsorption capacity of activated carbon for Fe3+, Ni2+and Cu2+was analyzed. The results show that adsorption capacity of magnetized activated carbon for Fe3+and Ni2+decrease, but its absorption capacity for Cu2+increases; meanwhile, effect of the premagnetization is stronger than magnetizing in the absorption process. The stronger the magnetic field intensity, the greater the absorption capacity change of activated carbon.

Magnetic field; Activated carbon; Absorption; Heavy metal ions

TQ 031

A

1671-0460（2014）06-0893-03

國家科技重大水專項（No.2012ZX07202-002）

2013-12-08

劉鄧超（1985-），男，寧夏銀川人，在讀碩士生，研究方向：水污染處理，環境催化。E-mail：ldcxfp@126.com。

李長波（1982-），男，講師，博士，研究方向：水污染處理，清潔生產等。E-mail：lnpulcb@126.com。