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炭化水竹吸附廢水中Cu2+的性能

2014-07-11 07:55:52張?jiān)频?/span>
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年4期

張?jiān)频?/p>

摘要:以炭化處理后的水竹為吸附劑,研究了竹炭對(duì)水中Cu2+的吸附性能。探討了溶液pH值、吸附劑用量、初始Cu2+濃度、溫度、接觸時(shí)間對(duì)吸附過(guò)程的影響,并對(duì)其吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了數(shù)值擬合。結(jié)果表明,在溶液pH值為5,竹炭用量6 g/L,初始Cu2+濃度120 mg/L時(shí),吸附基本達(dá)到飽和,飽和吸附量為6.24 mg/g;在溫度為20~35 ℃時(shí),竹炭對(duì)Cu2+的去除率隨溫度升高而增加。采用Langmuir、Freundlich等溫式對(duì)吸附平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果表明竹炭對(duì)Cu2+的吸附更符合Langmuir等溫吸附模式,吸附反應(yīng)過(guò)程遵循二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

關(guān)鍵詞:吸附;竹炭;Cu2+;熱力學(xué);動(dòng)力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào): X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2014)04-0317-03

收稿日期:2013-08-26

基金項(xiàng)目:四川省教育廳重點(diǎn)研究項(xiàng)目(編號(hào):13ZA0158);四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(編號(hào):2013JY0131)。

作者簡(jiǎn)介:張?jiān)疲?988—),女,四川會(huì)理人,碩士研究生,主要從事應(yīng)用生態(tài)學(xué)研究。E-mail:495570814@qq.com。隨著電鍍、冶金、五金和石油化工等工業(yè)的迅速發(fā)展,環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重,廢水中的重金屬日趨增多[1-3]。銅是常見(jiàn)的重金屬,也是人體必需的微量元素,但過(guò)多攝入銅會(huì)導(dǎo)致壞死性肝炎、溶血性貧血和機(jī)體的過(guò)氧化等病癥,甚至?xí)?dǎo)致死亡[4]。依據(jù)國(guó)家相關(guān)水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn),漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中銅含量不超過(guò)0.01 mg/L,直接飲用水中銅含量不超過(guò)1 mg/L。

去除水中銅污染常見(jiàn)的方法有化學(xué)沉淀法、溶劑萃取法、生物絮凝法、離子交換法和生物吸附法等[5-9],但是其具有成本高、反應(yīng)慢、易造成二次污染和處理濃度較低等缺點(diǎn)。目前,吸附劑法被認(rèn)為是最有應(yīng)用潛力的污水凈化方法,常用的吸附劑是活性炭,但其制備價(jià)格昂貴、再生困難,不適合大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家使用。近年來(lái),尋找有望取代活性炭的新型吸附劑日益成為研究熱點(diǎn),雖然生物質(zhì)材料對(duì)重金屬的吸附能力較活性炭小,但其來(lái)源廣泛、取材方便且價(jià)格低廉,因而具有很好的應(yīng)用前景[10]。本研究以常見(jiàn)的水竹為原材料,將其炭化處理后作為吸附劑用于處理水中銅,并對(duì)其吸附性能及其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究,以期為以竹炭為吸附劑凈化廢水中的重金屬離子提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1供試水竹取自西昌學(xué)院某池塘。

1.1.2試驗(yàn)廢水采用人工培養(yǎng)模擬廢水,Cu2+濃度為 5~150 mg/L。

1.2儀器和試劑

1.2.1主要儀器傾斜式高速萬(wàn)能粉碎機(jī)(FW-400A)、陶瓷馬弗爐(TMF-4-13)、臺(tái)式恒溫振蕩器(THZ-92C)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(CDM-20X)、pH計(jì)(PHS-25)、電子天平(AR2140)、分光光度計(jì)(JH-08-10-B-08-10-068)。

1.2.2主要試劑銅粉、鹽酸羥胺、新亞銅靈、檸檬酸鈉、乙酸乙酸鈉、HCl、H2SO4,均為分析純,試驗(yàn)用水為去離子水。

1.3方法

1.3.1吸附劑的制備將水竹沖洗干凈后,置于105 ℃干燥箱內(nèi)干燥1 d,用粉碎機(jī)粉碎混勻。將粉碎后的原料移至坩堝中,放在馬弗爐中調(diào)至300~500 ℃炭化20~60 min。取出坩堝在干燥器內(nèi)自然冷卻,然后快速磨勻過(guò)20~40目篩。將樣品放入塑料袋中,置于干燥器內(nèi)封閉待用。

1.3.2模擬廢水的配制稱(chēng)取1 g銅粉(分析純99%)于150 mL燒杯中,加入(1+1)HNO3 20 mL,加熱溶解后,加入(1+1)H2SO4 10 mL加熱至冒白煙。冷卻后,加水溶解并轉(zhuǎn)入1 L容量瓶中,定容至標(biāo)線。該溶液為1 g/L的Cu2+貯備液,根據(jù)試驗(yàn)需要稀釋成不同濃度。除pH值試驗(yàn)外,其他處理均將稀釋好的Cu2+溶液的pH值用4%NaOH或HCl調(diào)至5。

1.3.3試驗(yàn)方法移取不同濃度含銅廢水100 mL置于 150 mL 具塞錐形瓶中,根據(jù)需要調(diào)節(jié)pH值,分別加入已制得的吸附劑,于25 ℃、150 r/min條件下恒溫振蕩5~150 min,用定性濾紙過(guò)濾,移取一定濾液測(cè)定剩余溶液的Cu2+濃度。廢水pH值通過(guò)HCl或NaOH調(diào)節(jié)。利用2,9-二甲基-1,10-菲啰啉分光光度法測(cè)定Cu2+,濃度測(cè)定波長(zhǎng)為457 nm。根據(jù)吸附前后離子濃度按下式計(jì)算單位吸附量(qe)。

2結(jié)果與分析

2.1初始pH值對(duì)Cu2+吸附的影響

將Cu2+溶液調(diào)為不同的pH值,分別取竹炭0.5 g,加入25 mg/L Cu2+溶液100 mL,于25 ℃、150 r/min下恒溫振蕩 30 min,考察初始pH值對(duì)Cu2+吸附效果的影響。如圖1所示,當(dāng)pH值為2~4時(shí),Cu2+去除率隨pH值的增大迅速升高;但隨著pH值的繼續(xù)增大,Cu2+去除率增長(zhǎng)明顯減緩;當(dāng)pH值增至5時(shí),Cu2+去除率并沒(méi)有顯著變化。這說(shuō)明弱酸性條件下有利于竹炭對(duì)Cu2+的吸附,在酸性條件下不利于竹炭對(duì)Cu2+的吸附。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)pH值>5時(shí)產(chǎn)生少量沉淀;當(dāng)pH值>5.5時(shí)有較多沉淀產(chǎn)生;而當(dāng)pH值>6時(shí)產(chǎn)生大量藍(lán)色沉淀。有研究表明,pH值會(huì)影響Cu2+在水中的存在形式和有效性,pH值<4時(shí),Cu2+為主要存在形式;當(dāng)pH值為4~5時(shí),主要存在形式為Cu2+和CuOH﹢;當(dāng)pH值為5~6時(shí),主要存在形式為CuOH﹢、Cu(OH)2;而當(dāng)pH值>6時(shí),主要存在形式為Cu(OH)2沉淀,且不利于進(jìn)行吸附[11]。因此,竹炭對(duì)Cu2+吸附的最佳pH值為5。

2.2竹炭投加量對(duì)Cu2+吸附的影響

分別稱(chēng)取0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 g竹炭,加25 mg/L Cu2+溶液100 mL,調(diào)節(jié)pH值至5,于25 ℃、150 r/min下恒溫振蕩30 min,考察竹炭投加量對(duì)Cu2+吸附效果的影響。由圖2可知,在竹炭投加量低于0.4 g時(shí),隨著吸附劑用量增加,Cu2+去除率迅速增大。當(dāng)竹炭用量大于0.4 g以后,Cu2+去除率增長(zhǎng)逐漸放緩。當(dāng)竹炭用量增加到0.6 g以后,Cu2+吸附基本達(dá)到平衡。這是因?yàn)樵谌芤褐薪饘匐x子總量不變的情況下,吸附劑用量增加,可以提供更多的吸附位點(diǎn),金屬離子就越容易與吸附劑上的活性位點(diǎn)結(jié)合而被吸附,其去除率就越高;但隨著吸附劑用量的增大,竹炭的單位吸附量減少[12]。因此,本研究中竹炭最佳投加量為6 g/L。

2.3溫度對(duì)Cu2+吸附的影響

稱(chēng)取0.6 g竹炭,加入到100 mL 50 mg/L的Cu2+溶液中,調(diào)節(jié)pH值為2,設(shè)置試驗(yàn)溫度分別為20、25、30、35 ℃,在150 r/min下恒溫振蕩2 h,考察溫度對(duì)Cu2+吸附效果的影響。由圖4可知,在設(shè)定的溫度范圍內(nèi),竹炭對(duì)Cu2+的去除率隨溫度的升高而升高。原因可能是金屬離子的動(dòng)能隨溫度的升高而增加,溫度上升時(shí)其運(yùn)動(dòng)到吸附劑表面的概率增大,吸附發(fā)生的可能性增加。這表明竹炭對(duì)Cu2+的吸附過(guò)程是自發(fā)吸熱的,說(shuō)明高溫有利于吸附的進(jìn)行。

2.4Cu2+初始濃度對(duì)吸附的影響和吸附等溫線的確定

分別移取初始濃度分別為5、10、15、20、25、30、40、50、60、90、120、150 mg/L的Cu2+溶液100 mL,加入0.6 g竹炭,調(diào)節(jié)pH值為5,于25 ℃、150 r/min下恒溫振蕩30 min,考察初始濃度對(duì)Cu2+吸附效果的影響。由圖3可知,Cu2+初始濃度對(duì)單位吸附量和Cu2+去除率均存在影響,隨著Cu2+初始濃度的增大,竹炭對(duì)Cu2+的單位吸附量增加,竹炭對(duì)Cu2+的去除率則降低。當(dāng)Cu2+初始濃度從5 mg/L提高到120 mg/L時(shí),單位吸附量從0.63 mg/g增加到6.24 mg/g,去除率從100%降至31.2%。當(dāng)Cu2+初始濃度為120 mg/L時(shí),吸附量基本達(dá)到飽和,飽和吸附量為6.24 mg/g。原因可能是金屬離子濃度增大時(shí),有更多的金屬離子包圍在竹炭活性點(diǎn)周?chē)饺萘吭黾印舛瘸^(guò)一定范圍時(shí),吸附量接近飽和,吸附容量增大幅度變緩[13]。

3結(jié)論

以水竹為原料,通過(guò)炭化水竹制得吸附劑,研究了竹炭對(duì)溶液中Cu2+的吸附性能及其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征,結(jié)果表明:(1)綜合考慮成本因素和吸附速率,在pH值為5,吸附劑投加量0.6 g,初始濃度120 mg/L,反應(yīng)時(shí)間120 min時(shí),竹炭對(duì)Cu2+的去除效果較好;(2)竹炭對(duì)Cu2+的吸附符合Langmuir等溫?zé)崃W(xué)和二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,表明竹炭對(duì)Cu2+的吸附符合單分子吸附;(3)在20~35 ℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高,竹炭對(duì)Cu2+的去除率逐漸增大;(4)竹炭作為一種吸附性能穩(wěn)定且廉價(jià)易得的吸附劑,具備一定的商業(yè)開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn):

[1]胡巧開(kāi).含銅廢水的吸附處理研究[J]. 冶金能源,2005,24(2):59-62.

[2]Nathalie C,Richard G,Eric D. Adsorption of Cu(Ⅱ) and Pb(Ⅱ) onto a grafted silica:isotherms and kinetic models[J]. Water Research,2003,37(13):3079-3086.

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[4]Davis T A,Volesky B,Vieira R F. Sargassum seaweed as biosorbent for heavy metal[J]. Water Research,2000,34(17):4270-4278.

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[8]李艷玲,吳立波,王薇,等. 聚合物強(qiáng)化超濾處理含銅廢水[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào),2009,3(4):695-698.

[9]馬曉鷗,尹庚明. 離子交換法處理線路板廠含銅廢水工藝的優(yōu)化[J]. 工業(yè)水處理,2006,26(2):81-83.

[10]齊龍. 國(guó)內(nèi)活性炭應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 吉林林業(yè)科技,2002,31(2):30-33.

[11]Amarasinghe B K,Williams R A. Tea waste as a low cost adsorbent for the removal of Cu and Pb from wastewater[J]. Chemical Engineering Journal,2007,132 (1/2/3):299-309.

[12]賈娜娜,方為茂,趙紅衛(wèi),等. 谷殼對(duì)水中銅鎘離子的生物吸附研究[J]. 四川化工,2010,13(1):49-53.

[13]王國(guó)惠. 板栗殼對(duì)重金屬Cr(Ⅵ)吸附性能的研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào),2009,3(5):791-794.

2.3溫度對(duì)Cu2+吸附的影響

稱(chēng)取0.6 g竹炭,加入到100 mL 50 mg/L的Cu2+溶液中,調(diào)節(jié)pH值為2,設(shè)置試驗(yàn)溫度分別為20、25、30、35 ℃,在150 r/min下恒溫振蕩2 h,考察溫度對(duì)Cu2+吸附效果的影響。由圖4可知,在設(shè)定的溫度范圍內(nèi),竹炭對(duì)Cu2+的去除率隨溫度的升高而升高。原因可能是金屬離子的動(dòng)能隨溫度的升高而增加,溫度上升時(shí)其運(yùn)動(dòng)到吸附劑表面的概率增大,吸附發(fā)生的可能性增加。這表明竹炭對(duì)Cu2+的吸附過(guò)程是自發(fā)吸熱的,說(shuō)明高溫有利于吸附的進(jìn)行。

2.4Cu2+初始濃度對(duì)吸附的影響和吸附等溫線的確定

分別移取初始濃度分別為5、10、15、20、25、30、40、50、60、90、120、150 mg/L的Cu2+溶液100 mL,加入0.6 g竹炭,調(diào)節(jié)pH值為5,于25 ℃、150 r/min下恒溫振蕩30 min,考察初始濃度對(duì)Cu2+吸附效果的影響。由圖3可知,Cu2+初始濃度對(duì)單位吸附量和Cu2+去除率均存在影響,隨著Cu2+初始濃度的增大,竹炭對(duì)Cu2+的單位吸附量增加,竹炭對(duì)Cu2+的去除率則降低。當(dāng)Cu2+初始濃度從5 mg/L提高到120 mg/L時(shí),單位吸附量從0.63 mg/g增加到6.24 mg/g,去除率從100%降至31.2%。當(dāng)Cu2+初始濃度為120 mg/L時(shí),吸附量基本達(dá)到飽和,飽和吸附量為6.24 mg/g。原因可能是金屬離子濃度增大時(shí),有更多的金屬離子包圍在竹炭活性點(diǎn)周?chē)饺萘吭黾印舛瘸^(guò)一定范圍時(shí),吸附量接近飽和,吸附容量增大幅度變緩[13]。

3結(jié)論

以水竹為原料,通過(guò)炭化水竹制得吸附劑,研究了竹炭對(duì)溶液中Cu2+的吸附性能及其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征,結(jié)果表明:(1)綜合考慮成本因素和吸附速率,在pH值為5,吸附劑投加量0.6 g,初始濃度120 mg/L,反應(yīng)時(shí)間120 min時(shí),竹炭對(duì)Cu2+的去除效果較好;(2)竹炭對(duì)Cu2+的吸附符合Langmuir等溫?zé)崃W(xué)和二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,表明竹炭對(duì)Cu2+的吸附符合單分子吸附;(3)在20~35 ℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高,竹炭對(duì)Cu2+的去除率逐漸增大;(4)竹炭作為一種吸附性能穩(wěn)定且廉價(jià)易得的吸附劑,具備一定的商業(yè)開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力。

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2.3溫度對(duì)Cu2+吸附的影響

稱(chēng)取0.6 g竹炭,加入到100 mL 50 mg/L的Cu2+溶液中,調(diào)節(jié)pH值為2,設(shè)置試驗(yàn)溫度分別為20、25、30、35 ℃,在150 r/min下恒溫振蕩2 h,考察溫度對(duì)Cu2+吸附效果的影響。由圖4可知,在設(shè)定的溫度范圍內(nèi),竹炭對(duì)Cu2+的去除率隨溫度的升高而升高。原因可能是金屬離子的動(dòng)能隨溫度的升高而增加,溫度上升時(shí)其運(yùn)動(dòng)到吸附劑表面的概率增大,吸附發(fā)生的可能性增加。這表明竹炭對(duì)Cu2+的吸附過(guò)程是自發(fā)吸熱的,說(shuō)明高溫有利于吸附的進(jìn)行。

2.4Cu2+初始濃度對(duì)吸附的影響和吸附等溫線的確定

分別移取初始濃度分別為5、10、15、20、25、30、40、50、60、90、120、150 mg/L的Cu2+溶液100 mL,加入0.6 g竹炭,調(diào)節(jié)pH值為5,于25 ℃、150 r/min下恒溫振蕩30 min,考察初始濃度對(duì)Cu2+吸附效果的影響。由圖3可知,Cu2+初始濃度對(duì)單位吸附量和Cu2+去除率均存在影響,隨著Cu2+初始濃度的增大,竹炭對(duì)Cu2+的單位吸附量增加,竹炭對(duì)Cu2+的去除率則降低。當(dāng)Cu2+初始濃度從5 mg/L提高到120 mg/L時(shí),單位吸附量從0.63 mg/g增加到6.24 mg/g,去除率從100%降至31.2%。當(dāng)Cu2+初始濃度為120 mg/L時(shí),吸附量基本達(dá)到飽和,飽和吸附量為6.24 mg/g。原因可能是金屬離子濃度增大時(shí),有更多的金屬離子包圍在竹炭活性點(diǎn)周?chē)饺萘吭黾印舛瘸^(guò)一定范圍時(shí),吸附量接近飽和,吸附容量增大幅度變緩[13]。

3結(jié)論

以水竹為原料,通過(guò)炭化水竹制得吸附劑,研究了竹炭對(duì)溶液中Cu2+的吸附性能及其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征,結(jié)果表明:(1)綜合考慮成本因素和吸附速率,在pH值為5,吸附劑投加量0.6 g,初始濃度120 mg/L,反應(yīng)時(shí)間120 min時(shí),竹炭對(duì)Cu2+的去除效果較好;(2)竹炭對(duì)Cu2+的吸附符合Langmuir等溫?zé)崃W(xué)和二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,表明竹炭對(duì)Cu2+的吸附符合單分子吸附;(3)在20~35 ℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高,竹炭對(duì)Cu2+的去除率逐漸增大;(4)竹炭作為一種吸附性能穩(wěn)定且廉價(jià)易得的吸附劑,具備一定的商業(yè)開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力。

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