改性玉米秸稈對含銅廢水溶液中Cu2+的去除效果

朱靈峰　王小敏　郭毅萍等

摘要：利用NaOH改性玉米秸稈，研究其對含銅廢水中Cu2+的吸附脫除效果。采用平衡吸附法研究改性玉米秸稈的添加量、溫度、溶液pH值和反應時間等因素對改性玉米秸稈吸附水溶液中Cu2+的影響。結果表明：改性秸稈的添加量、溫度和溶液pH值均對吸附效果有一定影響，其中溶液pH值對玉米秸稈吸附Cu2+的效果影響明顯，準二級動力學模型能夠很好地反應其動力學行為。

關鍵詞：銅離子；吸附；改性玉米秸稈；動力學；pH值

中圖分類號： X703 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0311-03

秸稈是農業生產過程中的一種主要廢棄物，近年來人們逐漸開始重視并拓寬秸稈的資源化利用途徑，其中將廢棄秸稈用于環境污染治理，實現“以廢治廢”，是一種非常具有前景的措施[1]。玉米是一種經濟系數低而生物量高的農作物，在傳統的農業生產中，玉米秸稈一般被直接焚燒或閑置丟棄，資源回收效率低，排放量大，占用大量土地資源，造成了嚴重的資源浪費和環境污染。目前，國內外吸附處理含銅廢水，更多的研究主要在于尋找低成本的吸附原料，如礦業固體廢物[2]、花生殼[3]、稻殼[4]、小麥秸稈[5]、甘蔗渣[6]等。本研究探討研究了強堿NaOH改性玉米秸稈去除含銅廢水中Cu2+的主要影響因素及最佳吸附條件等，旨在開辟玉米秸稈資源化和含Cu2+廢水處理的新途徑，為今后處理含Cu2+廢水提供新依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

1.1.1 吸附劑制備 玉米秸稈取自普通農戶，經洗凈、80 ℃烘干、粉碎后過40目的篩子，將得到的小于40目的玉米秸稈浸泡在1 mol/L NaOH溶液中24 h，再用適量的蒸餾水洗至接近中性，過濾，在80 ℃下烘24 h后粉碎，過40目篩，即制得改性玉米秸稈吸附劑，置于干燥器內備用[7]。

1.1.2 銅標準液的配制 取3.906 g CuSO4·5H2O（分析純）置于250 mL燒杯中，加入適量蒸餾水溶解并轉入 1 000 mL 容量瓶中，用蒸餾水定容至標線，即得1 000 mL 的1 000 mg/L含Cu2+儲備液。試驗中根據需要稀釋成不同的濃度，以模擬含銅廢水。水樣pH值采用滴加0.10 mol/L HCl和0.10 mol/L NaOH調節，現配現用。

1.1.3 銅離子測定試劑 40%乙醛水溶液；pH值9.0緩沖溶液：先將35 g NH4Cl溶于少量蒸餾水中，再加入24 mL濃氨水，最后用蒸餾水定容至500 mL；檸檬酸三銨溶液：將 400 g 檸檬酸三銨溶于少量水中，用蒸餾水定容至1 000 mL，配制成400 g/L的檸檬酸三銨溶液；0.2%雙環己酮草酰二腙（BCO）溶液：稱取0.2 g雙環己酮草酰二腙置于燒杯中，加入50 mL乙醇溶液（水 ∶乙醇=1 ∶1），稀釋至100 mL，加熱至60～70 ℃溶解。

1.1.4 試驗設備 Shimadzu UVmini-1240 紫外可見分光光度計，PHS-2C 酸度計。

1.2 試驗方法

1.2.1 吸附試驗 準確稱取一定量的吸附劑于100 mL樣品瓶中，移入50 mL一定濃度的模擬含Cu2+廢水，調節pH值，于恒溫振蕩箱中（150 r/min）在設定溫度下振蕩一定時間后，取樣品瓶中的樣液采用微孔濾膜（0.45 μm）過濾，采用雙乙醛草酰二腙分光光度法測定溶液中Cu2+的濃度。分別考察吸附劑投加量、溫度、系統pH值和吸附時間等因素對體系中Cu2+的影響。

1.2.2 分析測試方法 銅離子測定采用雙乙醛草酰二腙分光光度法[8]。每次取水樣1～5 mL（取樣量由銅含量決定）加入10 mL比色管中，用蒸餾水稀釋至5 mL，加入0.4 mL 20%檸檬酸三銨溶液，用氨水調節溶液的pH值至9，加1 mL緩沖溶液、1 mL 2% BCO試劑、0.2 mL 40%乙醛，然后用去離子水稀釋至10 mL標線，搖勻。在50 ℃水浴加熱10 min取出，冷卻至室溫。以蒸餾水為參比，在546 nm波長處，用10 mm比色皿測量吸光度。吸附量和去除率采用下式計算：

2 結果與分析

2.1 玉米秸稈改性前后去除效果比較

采用Cu2+初始濃度為20 mg/L，pH值為5，吸附劑用量為2 g/L，溫度為25 ℃，振蕩時間為120 min，考察改性前后玉米秸稈對Cu2+去除率的影響，試驗結果如圖1所示。從圖1可以看出，改性后的玉米秸稈對各個濃度梯度的Cu2+溶液的去除效果得到明顯改善，改性前的最高去除率為67.3%，改性后最高去除率為96.3%。這是因為用NaOH處理后的玉米秸稈的木質素、半纖維素、灰分以及一些可提取物被有效去除，秸稈纖維素的纖維排列的有序度得到了很大的提高[9]，更有利于吸附過程的進行。

2.2 改性玉米秸稈投加量對吸附性能的影響

采用Cu2+初始濃度為20 mg/L、pH值為5的廢水，在振蕩時間為120 min、溫度為25 ℃、吸附劑投加量為0.5～20 g/L 條件下，考察改性玉米秸稈投加量對Cu2+去除率的影響，試驗結果如圖2所示。由圖2可以看出，隨著改性玉米秸稈添加量的增大，對Cu2+的去除效果逐漸提升，當秸稈添加量大于2 g/L時，對Cu2+的去除率提升不明顯，秸稈對Cu2+的吸附效果基本達到飽和。投加量達到2 g/L時，去除率達到89.2%，此后增加吸附劑投加量，Cu2+去除率增幅緩慢，即單位質量吸附量降低，考慮經濟學因素，吸附劑的最適宜用量為2 g/L。

從圖5可以看出，在開始階段，Cu2+去除率隨著吸附時間延長而迅速提升，吸附時間超過50 min后，由于改性玉米秸稈吸附劑表面吸附趨于飽和，去除率增幅逐漸降低。當吸附時間為50、80、120 min時，改性玉米秸稈對Cu2+吸附量分別為8.989、9.005、9.045 mg/g，可見50 min后Cu2+去除率達到95%以上，且其后去除率基本保持不變，可認為吸附劑對Cu2+的吸附在50 min即達到平衡，此時的平衡吸附量為8989 mg/g。由表1可知，在準一級動力學模型、準二級動力學模型、Elovich和雙常數動力學模型中，準二級動力學模型能較好的擬合試驗數據[12]，相關系數在0.91以上。endprint

3 結論

（1）經過堿處理的玉米秸稈對Cu2+的去除效果明顯提升，有助于含Cu2+廢水的治理。（2）在吸附過程中，改性玉米秸稈最佳添加量為2 g/L；Cu2+的去除率隨溫度升高而增加；在改性玉米秸稈對Cu2+的吸附過程中，pH值的影響較大，當pH值為5時，最有利于改性玉米秸稈對Cu2+的吸附。此時，吸附劑對含20 mg/L Cu2+濃度的廢水去除率為89.1%。（3）在準一級動力學模型、準二級動力學模型、Elovich和雙常數動力學模型中，準二級動力學模型能較好的擬合試驗數據，其相關系數達到0.918，最大吸附量為8.989 mg/g。

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