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.東莞理工學院 化學工程與能源技術學院，廣東 東莞 523808；2.中國電器科學研究院有限公司，廣東 廣州 510300；3.廣東華越環保科技有限公司，廣東 佛山 528308)

電鍍廢水中常見的重金屬有Cu、Cd、Ni、Pb、Zn等。水環境中的重金屬離子形態穩定、毒性大以及可通過食物鏈在生物體內累積，嚴重危害生態環境和人類健康，因此去除污水中的重金屬已成為水資源保護的重要內容。傳統的重金屬污染處理技術包括化學沉淀、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從液相傳遞到固體表面，利用吸附劑特有的結構實現對污染物的去除[3]。目前，吸附法以其高效經濟和操作簡便等優點而被廣泛應用[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及大量微孔結構，這些官能團具有活性，可以與溶液中的污染物接觸反應，從而達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對廢水中銅、鎳重金屬離子的吸附規律。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：氫氧化鈉、硫酸均為分析純。實驗廢水取自廣州某有限公司，其水質主要指標：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。實驗所用活性炭為粉末活性炭(市售)，實驗時先將活性炭放在蒸餾水中浸泡20h，然后在110℃烘箱內烘干24h，冷卻至室溫密封保存后備用。

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

1.2 實驗方法

取廢水250mL于燒杯中，加入硫酸或氫氧化鈉調節溶液的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間后過濾，原子吸收分光光度計測定濾液中重金屬離子含量。

2 結果與討論

2.1 pH值對吸附效果的影響

取廢水250mL并調節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，實驗數據如圖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 時達到最大值。這是因為在pH值很小的時候，溶液中存在大量的H+，活 性 炭 表 面 的官能團會跟溶液中的H+結合，改變了活性炭表面的親和性，此時活性炭的有效吸附點位被H+占據，阻礙金屬離子與活性炭表面基團的結合，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；當溶液的pH升高后，與活性炭表面官能團結合的 H+發生解離，金屬陽離子與活性炭表面的靜電斥力減弱，同時大量的吸附活性點位又被重新暴露在外面，重金屬離子占據這些活性點位而被有效地吸附，所以Cu2+、Ni2+去除率隨著pH值的增大而增大的。但當pH值過大時，由于OH-與金屬離子的化學作用力增大而引起吸附量的下降，因而導致Cu2+、Ni2+去除率減小。綜合考慮，本實驗選擇最佳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并調節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，實驗結果如圖2所示。

圖2 活性炭用量對Cu2+、Ni2+去除率的影響

由圖2可知，本實驗中隨著活性炭加入量的增大，Cu2+、Ni2+的去除率也不斷增大，這是因為隨著活性炭投加量的增加，提供的吸附點位數也逐漸增多，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+，當活性炭加入量分別超過1.5g、2.0g時，Cu2+、Ni2+去除率增加不明顯，這是因為溶液中Cu2+、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時已基本達到吸附平衡。

2.3 吸附時間對吸附效果的影響

取廢水250mL并調節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。考察吸附時間對重金屬離子去除率的影響，結果如圖3所示。

由圖3可知，活性炭對兩種重金屬的去除率均隨時間而增加。在吸附前 60min內，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，吸附主要發生在活性炭的外表面和部分微孔內進行，由于孔徑較大，有利于吸附的進行，因而短時間內就可以完成[2]；隨著吸附過程的深入，金屬離子逐漸經過渡孔進入到活性炭內部的微孔，孔徑變小，又由于負載在活性炭表面的金屬離子產生的斥力隨著吸附量的增加而逐漸增強，游離的金屬離子深入微孔內部被吸附的阻力變大，因而導致金屬離子在其中的傳質速率下降，去除率隨時間緩慢增加，直到達到吸附飽和狀態。

圖3 吸附時間對Cu2+、Ni2+去除率的影響

2.4 溫度對吸附效果的影響

取廢水250mL并調節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。當吸附溫度25℃時Cu2+及Ni2+的去除率最高，繼續提高吸附溫度，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動速度加快，同時使得活性炭表面的官能團活性增加，因此 Cu2+及Ni2+的去除率隨著溫度的升高而增加，直至達到吸附平衡；當達到25℃后，隨著溫度繼續升高，由于分子熱運動過于激烈而破環了吸附平衡，導致脫附過程相對于吸附過程更占據優勢，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℃下進行是比較合理的。

3 結論

(1)活性炭對Cu2+和Ni2+均具有較好的快速吸附作用，在60min內可達到吸附平衡；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，吸附時間60min，溫度為25℃。此時，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的研究進展[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].大連工業大學學報,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展[J].環境保護科學,2010,36(3):22-24.

[4] 師 杰,趙志偉,崔福義,等.化學改性強化活性炭纖維吸附重金屬離子[J].哈爾濱工業大學學報,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物吸附模式和機理的研究[J].環境科學與管理,2009,34(10):88-92.