改性板藍根藥渣對鉛離子吸附性能研究

白鷺　吳春英　谷風

摘要：利用NaOH浸泡預處理、NaClO溶液氧化改性板藍根藥渣對含鉛廢水的處理進行了研究。考察了吸附劑投加量、初始Pb2+濃度、pH、吸附時間及溫度對改性板藍根藥渣吸附Pb2+的影響。結果表明，對50 mL 50 mg/L的含鉛廢水，在投入0.15 g改性板藍根時，吸附率達到最大（92.1%），吸附容量達到最高（15.25 mg/g）。隨著Pb2+初始濃度的增大，吸附容量逐漸增大，初始濃度增加到50 mg/L時達到平衡。pH對Pb2+的去除有重要影響，最佳pH是6，去除率達到92.7%。當吸附時間為3 h時，吸附過程達到平衡。改性板藍根藥渣對鉛的吸附率在30 ℃時最高，為92.3%。Langmuir模型對改性板藍根藥渣吸附鉛離子有更好的擬合效果，表明板藍根藥渣對Pb2+的吸附屬于單層吸附，最大吸附量可達15.8 mg/g。吸附過程可以用準二級動力學模型描述。

關鍵詞：板藍根藥渣；Pb2+；吸附；等溫線；動力學

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）24-6219-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.030

Abstract：Isatis indigotica Fort. draff modified by NaOH and NaClO was researched as an effective biosorbent for removing Pb2+ from wastewater. The effects of the biosorbent dosage， the initial Pb2+ concentration， pH， time and temperature on the adsorption of Pb2+ by the biosorbent were studied. The experimental results indicated that， for 50 mL wastewater containing Pb2+ with a concentration of 50 mg/L，when 0.15 g biosorbent was added into it， the adsorption rate and adsorption capacity reached the maximum（92.1% and 15.25 mg/g）. With the increase of the initial concentration of Pb2+， the adsorption capacity increased gradually，and the equilibrium was reached when the initial concentration was 50 mg/L.The pH had a noticeable effect on the removal of Pb2+，the optimal pH was 6.0， and the adsorption rate was 92.7%. When the adsorption time was 3 h，the adsorption process reached equilibrium. When the adsorption temperature was 30 ℃，the adsorption rate reached the maximum（92.3%）. The data fitted well with the Langmuir isotherms. The experimental data could be better explained by the pseudo-second-order model.

Key words：Isatis indigotica Fort. Draff；Pb2+； biosorption；isotherm；kinetics

隨著工業化進程的發展，含鉛廢水的排放量越來越大，而鉛是污染嚴重的重金屬離子，富集在人和動物體內會損害人體的各個系統和器官，對人體健康及環境帶來極大的危害，引起人們的高度重視。鉛主要存在于冶金、金屬加工、機械制造、化學藥劑、石油加工、紡織、印染、化纖、電鍍、火柴、照相材料等工業生產的廢水中，重金屬廢水處理的方法主要有生物吸附法、化學沉淀法、離子交換法和膜分離技術[1，2]。生物吸附劑具有金屬吸附選擇性高、適應范圍廣、耐受有機負荷高、再生能力強、吸附迅速等優點，尤其是在低濃度下具有良好的重金屬吸附能力[3-5]。關于活性污泥、藻類、細菌、厭氧污泥等生物材料吸附Pb2+的研究較多[6-10]，竹炭、活性炭、粉煤灰、沸石等也有研究[11-15]，關于板藍根的細胞壁及板藍根藥渣對鉛吸附的性能研究也有報道[16，17]。

板藍根藥渣作為廢棄物，具有廉價、環保的優點，本研究根據板藍根藥渣成分進行改性[18，19]，研究改性板藍根藥渣對Pb2+的吸附性能，為以后應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

鹽酸、氫氧化鈉、次氯酸鈉、硝酸鉛、亞硫酸鈉均為分析純，購自天津市大茂化學試劑廠。

電熱鼓風干燥箱（北京鴻達天矩試驗設備有限公司）、FW200型萬能粉碎機（上海滬粵明科學儀器有限公司）、UVmini-1240型紫外可見分光光度計（廣州市化興科學儀器有限公司）、pHS-3C型數顯酸度計（上海宇隆儀器有限公司）、FA2004N型電子天平（上海精密科學儀器有限公司）、TDL-50B型臺式離心機（上海安亭科學儀器廠）、SHA-C型水浴恒溫振蕩器（常州國華電器有限公司）。

1.2 板藍根藥渣預處理及改性

板藍根藥渣由吉林國藥制藥有限責任公司提供，經水洗、烘干、粉碎后過60目篩。

板藍根藥渣預處理：取部分已經制備好的板藍根藥渣用20%的NaOH溶液浸泡2 h，過濾，去離子水洗至中性，在60～70 ℃烘箱中干燥至恒重。

板藍根藥渣改性：取部分預處理板藍根藥渣和次氯酸鈉溶液（活性氯含量4%～6%），用酸堿調節pH至10，反應2 h后，加入一定量亞硫酸鈉，過濾，去離子水清洗，烘干。

1.3 Pb2+的測定方法

在100 mL三角瓶里加入一定量板藍根藥渣，加入配制成一定濃度的Pb2+溶液50 mL，調節pH至所需值，放入搖床，在恒溫下以120 r/min的頻率振蕩吸附一定時間，然后過濾，用原子吸收分光光度法測定濾液中剩余Pb2+的濃度。

1.4 去除率和吸附容量的計算

去除率為R=（1-■）×100% （1）

吸附容量為q=■ （2）

其中，C0和C分別為吸附前后溶液中Pb2+的濃度（mg/L），V為溶液體積（L），m為吸附劑的用量（g）。

2 結果與分析

2.1 吸附劑投加量對Pb2+吸附的影響

取0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.40 g的改性板藍根藥渣分別投加于50 mL濃度為50 mg/L的Pb2+溶液中，將溶液的pH調至6.0左右，置于振蕩器上振蕩，溫度為25 ℃，吸附時間為3 h，過濾測其濃度。結果如圖1所示。

圖1顯示了吸附劑投加量對Pb2+的吸附率及吸附容量的影響，結果表明改性板藍根藥渣的去除率隨投加量的增加而提高，當吸附劑投加量為0.15 g時，吸附率達到最大（92.1%），吸附容量也達到最高（15.25 mg/g）。隨著改性板藍根藥渣用量的增大，溶液中改性板藍根藥渣的表面積不斷增大，提供的吸附點位也隨之增多，這有利于Pb2+的去除。當改性板藍根藥渣用量達到一定量后，單位質量改性板藍根藥渣的平衡吸附量卻不斷降低并逐漸趨于平緩，這表明改性板藍根藥渣的用量越多，其飽和吸附能力越沒有被充分利用，此時的最佳投加量是0.15 g。因此，在實際運用中，對于重金屬初始濃度比較穩定的廢水，為了使吸附更加高效和經濟，建議用少量板藍根藥渣做多次吸附。

2.2 初始濃度對改性板藍根藥渣吸附Pb2+的影響

Pb2+初始濃度對改性板藍根藥渣吸附量的影響如圖2所示。從圖2可知，平衡吸附容量隨著初始濃度的增加而增大，當初始濃度增大到50 mg/L時，平衡吸附量達到了15.48 mg/g，以后吸附容量基本不變。這是由于初始濃度較低時，改性板藍根藥渣上吸附活性位點未飽和；隨著濃度的增加，固液相之間的Pb2+濃度差增大，吸附推動力增大，進而導致平衡吸附量上升，未被吸附的活性位點逐漸減少；當初始濃度進一步增加時，吸附活性位點趨向于飽和，平衡吸附量達到最大值。

2.3 pH對去除率的影響

改變Pb2+溶液的pH，考察pH對改性板藍根藥渣的影響，結果見圖3。由圖3可知，隨著pH升高，Pb2+的吸附容量逐漸增加，當pH為6.0時，吸附容量達到最高值。結果表明，能與Pb2+形成螯合吸附的改性板藍根藥渣羧基和羥基在pH較低時與水中的H+發生質子化作用，同性正電荷排斥Pb2+，影響吸附容量；當pH升高時，吸附活性位質子化作用減弱，螯合吸附活化能降低，吸附容量增大。當pH大于7時，Pb2+溶液被解吸以及形成沉淀物，去除率降低，最佳pH為6。

2.4 吸附時間對去除率的影響

調節廢水pH至6，改變吸附時間，吸附過程中Pb2+的去除率隨時間的變化情況如圖4所示。由圖4可知，吸附時間越長，Pb2+去除率越高。3 h后，去除率基本穩定在92.0%左右。開始時，去除率上升很快，是因為濃度差大和吸附劑吸附點位較多。隨著吸附進行，吸附點位逐漸減少，去除率上升速率減緩。吸附接觸時間為3 h時，達到吸附平衡，因此選取3 h為最佳吸附接觸時間。

2.5 吸附溫度對去除率的影響

取改性板藍根藥渣0.15 g投加于50 mL濃度為50 mg/L的鉛溶液中，置于恒溫振蕩器上振蕩，調節不同的溫度，振蕩3 h后過濾測其吸光度，結果見表1。由表1可以看出，改性板藍根藥渣對鉛的吸附率在30 ℃時最大，在溫度偏低時對鉛吸附率低；在溫度偏高時改性板藍根藥渣發生解析，也不利于對鉛的吸附。所以，改性板藍根藥渣對鉛的去除效果在30 ℃時最高。在最佳處理條件下，改性板藍根藥渣對鉛的去除率為92.3%。

2.6 吸附等溫式

吸附等溫式可以說明在吸附過程達到平衡時，吸附質分子是如何在液相和固相間分配的。用Langmuir等溫式和Freundlich等溫式對吸附等溫曲線的數據進行了線性擬合。

Langmuir吸附等溫式的一般式是：

■=■+■ （3）

式中，Ce（mg/L）和qe（mg/g）分別為吸附平衡時吸附質的平衡濃度和平衡吸附量，qm和b是Langmuir常數。

Freundlich吸附等溫方程的一般式：

lnqe=lnKF +■lnCe （4）

式中，Ce（mg/L）和qe（mg/g）分別為吸附平衡時吸附質的平衡濃度和平衡吸附量，KF和n是Freundlich常數。

從表2中可以看出，在兩種等溫式中，改性板藍根藥渣的吸附用等溫式Langmuir擬合得最好（線性相關系數R2=0.994）。Langmuir吸附曲線為均勻吸附劑表面的單分子層吸附。

2.7 吸附動力學

分別采用準一級動力學和準二級動力學模型來擬合改性板藍根藥渣吸附廢水中Pb2+的動力學過程，對試驗數據分別進行線性回歸分析，其線性表達方程分別見式（5）和式（6）。

lg（qe-qt）=lgqe-（■）t （5）

■=■+■ （6）

式中，qt、qe分別是t時刻和吸附平衡時的吸附量（mg/g），k1為準一級吸附速率方程的吸附速率常數（1/min），k2為準二級吸附速率方程的吸附速率常數[g/（mg﹒min）]。

擬合結果見圖5和圖6，擬合參數值見表3。準一級動力學模型擬合的相關系數與準二級動力模型模擬的相關系數相比，值相對較小，而且計算所得的最大吸附量與試驗值相差較大，由此可見，準一級動力學模型不適于描述改性板藍根藥渣對Pb2+的吸附過程。但是從擬合結果可以看出，用準二級動力學模型線性擬合所得到的相關系數較大， 且平衡吸附量為16.8 mg/g，與實際值15.59 mg/g相差很小，基本一致，說明該吸附過程更適合用準二級動力學模型來描述。

3 結論

改性板藍根藥渣對水溶液中Pb2+具有較好的去除效果，吸附平衡用Langmuir和Freundlich等溫式進行了擬合，結果表明吸附過程更符合Langmuir等溫式。吸附過程的動力學研究說明吸附更符合準二級動力學方程。板藍根藥渣資源豐富，便宜易得，具有開發成生物吸附劑的潛質，在吸附處理含鉛廢水方面有著良好的前景。

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