活性炭對廢水中Cu2+、Ni2+吸附性能的研究

張存芳*，王鵬程，呂斯濠，范洪波 ，蘭善紅，趙 新

(1.東莞理工學(xué)院 化學(xué)工程與能源技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808；2.中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510300；3.廣東華越環(huán)保科技有限公司，廣東 佛山 528308)

電鍍廢水中常見的重金屬有Cu、Cd、Ni、Pb、Zn等。水環(huán)境中的重金屬離子形態(tài)穩(wěn)定、毒性大以及可通過食物鏈在生物體內(nèi)累積，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人類健康，因此去除污水中的重金屬已成為水資源保護(hù)的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的重金屬污染處理技術(shù)包括化學(xué)沉淀、離子交換和電解等，但這些方法普遍存在著成本高等問題[1-2]。

吸附法是一種將物質(zhì)從液相傳遞到固體表面，利用吸附劑特有的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對污染物的去除[3]。目前，吸附法以其高效經(jīng)濟(jì)和操作簡便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[4]。.常用的吸附劑有活性炭、硅藻土以及殼聚糖。活性炭具有吸附作用主要是因其表面積大.、表面具有活性官能團(tuán)及大量微孔結(jié)構(gòu)，這些官能團(tuán)具有活性，可以與溶液中的污染物接觸反應(yīng)，從而達(dá)到吸附去除各類污染物的目的[5]。本文以粉末活性炭作為吸附劑，探討其劑量和吸附工藝參數(shù)對廢水中銅、鎳重金屬離子的吸附規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：氫氧化鈉、硫酸均為分析純。實(shí)驗(yàn)廢水取自廣州某有限公司，其水質(zhì)主要指標(biāo)：顏色呈淺綠色，pH值為7.6，COD為106mg/L，Cu2+為6.5mg/L，Ni2+為2.0mg/L。實(shí)驗(yàn)所用活性炭為粉末活性炭(市售)，實(shí)驗(yàn)時(shí)先將活性炭放在蒸餾水中浸泡20h，然后在110℃烘箱內(nèi)烘干24h，冷卻至室溫密封保存后備用。

儀器：電子天平JA3103；pH計(jì)，pHS-25；磁力加熱攪拌器78-1；原子吸收分光光度計(jì)Z-5000。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取廢水250mL于燒杯中，加入硫酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液的pH后加入一定量的活性炭，置于恒溫磁力攪拌器上，在一定溫度下攪拌一段時(shí)間后過濾，原子吸收分光光度計(jì)測定濾液中重金屬離子含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對吸附效果的影響

取廢水250mL并調(diào)節(jié)pH為4、5、6、7、8、9，分別加入2.0g活性炭，在溫度為 25℃下磁力攪拌器上攪拌吸附80min后抽濾，測定濾液中Cu2+、Ni2+含量。考察pH對重金屬離子去除率的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。

從圖1 可以看出，Cu2+、Ni2+的去除率隨著 pH值的增加均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，且Cu2+、Ni2+的去除率分別在pH值為7.0和8.0 時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)樵趐H值很小的時(shí)候，溶液中存在大量的H+，活 性 炭 表 面 的官能團(tuán)會跟溶液中的H+結(jié)合，改變了活性炭表面的親和性，此時(shí)活性炭的有效吸附點(diǎn)位被H+占據(jù)，阻礙金屬離子與活性炭表面基團(tuán)的結(jié)合，從而使重金屬離子沒有被充分吸收，所以Cu2+、Ni2+的去除率相對較低；當(dāng)溶液的pH升高后，與活性炭表面官能團(tuán)結(jié)合的 H+發(fā)生解離，金屬陽離子與活性炭表面的靜電斥力減弱，同時(shí)大量的吸附活性點(diǎn)位又被重新暴露在外面，重金屬離子占據(jù)這些活性點(diǎn)位而被有效地吸附，所以Cu2+、Ni2+去除率隨著pH值的增大而增大的。但當(dāng)pH值過大時(shí)，由于OH-與金屬離子的化學(xué)作用力增大而引起吸附量的下降，因而導(dǎo)致Cu2+、Ni2+去除率減小。綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)選擇最佳pH值為7.5。

圖1 pH值對Cu2+、Ni2+離子去除率的影響

2.2 活性炭用量對吸附效果的影響

取廢水250mL并調(diào)節(jié)pH值為7.5，分別加入0.2g、0.7g、1.5g、2.0g、2.5g活性炭，在溫度為25℃下攪拌吸附80min后抽濾，測定濾液中Cu2+、Ni2+含量。考察活性炭用量對重金屬離子去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 活性炭用量對Cu2+、Ni2+去除率的影響

由圖2可知，本實(shí)驗(yàn)中隨著活性炭加入量的增大，Cu2+、Ni2+的去除率也不斷增大，這是因?yàn)殡S著活性炭投加量的增加，提供的吸附點(diǎn)位數(shù)也逐漸增多，重金屬離子被吸附絕對量就會增加，所以溶液中重金屬離子的去除率一直呈上升趨勢；但對于Cu2+、Ni2+，當(dāng)活性炭加入量分別超過1.5g、2.0g時(shí)，Cu2+、Ni2+去除率增加不明顯，這是因?yàn)槿芤褐蠧u2+、Ni2+的平衡濃度隨著越來越多的重金屬離子被吸附而降低，活性炭飽和吸附量也越小，去除率提高越緩，說明Cu2+、Ni2+在活性炭投加量分別為1.5g、2.0g時(shí)已基本達(dá)到吸附平衡。

2.3 吸附時(shí)間對吸附效果的影響

取廢水250mL并調(diào)節(jié)pH值為7.5，加入1.5g活性炭，在溫度為 25℃下分別在攪拌20min、40min、60min、80min、100min后過濾，測定濾液中Cu2+、Ni2+含量。考察吸附時(shí)間對重金屬離子去除率的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，活性炭對兩種重金屬的去除率均隨時(shí)間而增加。在吸附前 60min內(nèi)，活性炭對銅、鎳離子的吸附速率很快，至60 min后兩種重金屬的吸附均已接近平衡。究其原因：在吸附初期，吸附主要發(fā)生在活性炭的外表面和部分微孔內(nèi)進(jìn)行，由于孔徑較大，有利于吸附的進(jìn)行，因而短時(shí)間內(nèi)就可以完成[2]；隨著吸附過程的深入，金屬離子逐漸經(jīng)過渡孔進(jìn)入到活性炭內(nèi)部的微孔，孔徑變小，又由于負(fù)載在活性炭表面的金屬離子產(chǎn)生的斥力隨著吸附量的增加而逐漸增強(qiáng)，游離的金屬離子深入微孔內(nèi)部被吸附的阻力變大，因而導(dǎo)致金屬離子在其中的傳質(zhì)速率下降，去除率隨時(shí)間緩慢增加，直到達(dá)到吸附飽和狀態(tài)。

圖3 吸附時(shí)間對Cu2+、Ni2+去除率的影響

2.4 溫度對吸附效果的影響

取廢水250mL并調(diào)節(jié)pH值為7.5，加入1.5g活性炭，分別在溫度15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃下攪拌60min后過濾，測定濾液中銅、鎳離子含量。考察溫度對Cu2+、Ni2+去除率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度對Cu2+、Ni2+去除率的影響

由圖4可知，Cu2+及Ni2+的去除率隨著溫度的升高先增大后減小。當(dāng)吸附溫度25℃時(shí)Cu2+及Ni2+的去除率最高，繼續(xù)提高吸附溫度，兩種金屬離子的去除率均緩慢降低。活性炭的吸附過程包含吸附和脫附兩個(gè)過程。一般吸附是放熱過程，低溫有利于吸附過程；而脫附是吸熱過程，高溫有利于脫附過程[6]。究其原因：升高溫度不僅會使溶液中的污染物分子運(yùn)動速度加快，同時(shí)使得活性炭表面的官能團(tuán)活性增加，因此 Cu2+及Ni2+的去除率隨著溫度的升高而增加，直至達(dá)到吸附平衡；當(dāng)達(dá)到25℃后，隨著溫度繼續(xù)升高，由于分子熱運(yùn)動過于激烈而破環(huán)了吸附平衡，導(dǎo)致脫附過程相對于吸附過程更占據(jù)優(yōu)勢，Cu2+及Ni2+去除率逐漸下降。因此，活性炭對廢水中重金屬離子的吸附在常溫25℃下進(jìn)行是比較合理的。

3 結(jié)論

(1)活性炭對Cu2+和Ni2+均具有較好的快速吸附作用，在60min內(nèi)可達(dá)到吸附平衡；溫度對吸附作用影響不大；溶液 pH和吸附劑投加量對活性炭吸附去除Cu2+和Ni2+的影響最大，兩種重金屬的去除率均隨活性炭投加量的增大而增加。

(2)活性炭吸附處理廢水中Cu2+及Ni2+的適宜條件為： pH值為7.5，活性炭投加量6.0g/L，吸附時(shí)間60min，溫度為25℃。此時(shí)，Cu2+和Ni2+的去除率分別為86.60%和76.08%。

[1] 何 苗.污水重金屬離子處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].廣州化工,2016,44(19):27-29.

[2] 付瑞娟,薛文平,馬 春,等.花生殼活性炭對溶液中Cu2+和Ni2+的吸附性能[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(3):200-203.

[3] 鄒照華,何素芳,韓彩蕓,等.吸附法處理重金屬廢水研究進(jìn)展[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2010,36(3):22-24.

[4] 師 杰,趙志偉,崔福義,等.化學(xué)改性強(qiáng)化活性炭纖維吸附重金屬離子[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,48(8):102-107.

[5] Isoda N,Rodrigues R,Silva A,et al.Optimization of preparation conditions of activated carbon from agriculture waste utilizing factorial design[J].Powder Technology,2014,256(2):175-181.

[6] 李子龍,馬雙楓,王 棟.活性炭吸附水中金屬離子和有機(jī)物吸附模式和機(jī)理的研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2009,34(10):88-92.