活性炭纖維對水中重金屬離子的吸附分析

高飛飛

（阜陽創(chuàng)業(yè)水務(wù)有限公司，安徽 阜陽 236000）

重金屬離子處理方法包括沉淀、膜分離和生物方法，但是上述方法有缺點(diǎn)，沉淀法成本高，產(chǎn)生新的污染物，因此在應(yīng)用上存在局限性。生物方法要求水質(zhì)高，保證微生物含量的穩(wěn)定。離子交換方法成本高，再生劑消耗大。膜處理方法使用壽命短，需要及時更換?；钚蕴坷w維作為一種性能優(yōu)良、效率高的吸附劑，具有成本低、能耗低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，在水中重金屬離子吸收中有廣泛的應(yīng)用[1]。

1 活性炭纖維對水中重金屬離子的吸附實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)研究所需材料主要包括活性炭纖維（由遼寧省安全科學(xué)研究院生產(chǎn)提供，平均孔徑為1.5263nm，細(xì)孔容積為0.6852cm3·g-1）、水樣包括CdCl22.5H2O、CdCl22H2O、Ni（NO3）.6H2O，以上水樣均為分析純，采用人工方式配置。實(shí)驗(yàn)儀器主要包括原子吸收分光光度計(jì)（由北京第二光學(xué)儀器廠生產(chǎn)提供，型號：WFX-IB2）、活性炭纖維切割機(jī)（由實(shí)驗(yàn)室自制）、掃描電鏡（由日本日立企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)，型號S-570型）、調(diào)速多用振蕩器（由深圳國華儀器廠研發(fā)生產(chǎn)，型號HY-2）、數(shù)字式離子計(jì)（由江蘇電分析儀器廠研發(fā)生產(chǎn)，型號PXD-3）、F1（自制）、吸附柱（由實(shí)驗(yàn)室自制）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)研究方法主要分為靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)與動態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)兩個部分。其中靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)操作方式如下：取0.5g的活性炭纖維，將其放置在容量為250ml的碘量瓶內(nèi)。向碘量瓶注入濃度為20ml/L的重金屬水溶液，劑量控制在100ml即可。借助震蕩器進(jìn)行震蕩，震蕩速率控制在120r/min，震蕩時間控制在5min左右即可。完成上述操作之后，取混合液上清液，對上清液中的重金屬離子濃度進(jìn)行測量。動態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)操作方式如下：將含鎘離子的廢水從高位槽中以一定流速經(jīng)計(jì)量泵，遵循自上而下的原則使其通過活性炭纖維吸附柱。

1.3 活性炭纖維負(fù)載重金屬離子

取200ml含鎘離子廢水，向其中加入同體積的F1試劑，攪拌，使廢水中含有的金屬離子充分沉淀。在沉淀之后的溶液中分別加入質(zhì)量為0.2g、0.5g、1.0g、2.0g的活性炭纖維，觀察充分吸附之后，對吸附后濾液中的鎘離子濃度進(jìn)行測定，由此計(jì)算出活性炭纖維上負(fù)載的鎘離子量。

1.4 重金屬離子的洗脫

為了測定活性炭纖維上吸附的重金屬離子，需要借助原子吸收分光光度法完成測定操作。測定之前，需要將吸附在活性炭纖維上的重金屬離子洗脫下來，操作如下：取吸附了重金屬離子的活性炭纖維，將其置于馬弗爐中。將馬弗爐的溫度分別控制在600攝氏度、700攝氏度、750攝氏度以及800攝氏度，加熱處理，加熱時間控制在3h，冷卻。

2 結(jié)果分析

2.1 吸附時間的影響

在20攝氏度的情況下，由圖1分析可以看出，鎘離子、銅離子以及鎳離子在活性炭纖維吸附柱上的吸附效果與吸附時間（縱軸）兩者之間的關(guān)系。期間，初始濃度為20ml/L，pH值大小為5.5～6.0，活性炭纖維用量為0.5g。綜合分析來看，活性炭纖維吸附初期階段，鎘離子、銅離子以及鎳離子在活性炭纖維吸附柱上的吸附效果較為明顯，待測水中的重金屬殘留濃度在短時間內(nèi)快速下降。一段時間后，活性炭纖維對于幾種重金屬的吸附速度趨近于平衡。

圖1 吸附時間對活性炭纖維吸附效果的影響

2.2 pH值的影響

對比分析來看，pH值對活性炭纖維吸附效果的影響。可以看出活性炭纖維對于水中各種重金屬離子的吸附效果，會隨著pH值的增大而隨之不斷提升。當(dāng)水中的pH值較低時，如果選擇使用活性炭纖維去除水中含有的重金屬離子，其實(shí)際的重金屬吸附效果會受到直接的影響。這種情況下，為了進(jìn)一步保證活性炭纖維對于水中重金屬離子的吸附效果，可以通過合理提高水的pH值這一方式來實(shí)現(xiàn)。

2.3 活性炭纖維吸附線性模型

結(jié)合20攝氏度下活性炭纖維吸附水中鎘離子、銅離子以及鎳離子三種重金屬離子的等溫線情況，分別在Langmuir以及Freundich兩種模式，構(gòu)建對應(yīng)的活性炭纖維吸附水中重金屬離子的線性模式，在此基礎(chǔ)上綜合探究活性炭纖維的吸附規(guī)律。Freundich下線性回歸方程為logq=0.49081logCe+0.2001，F(xiàn)reundich模式下的線性擬合結(jié)果為：kf=1.1024，對應(yīng)的I=0.04921，相關(guān)系數(shù)為0.9251,相關(guān)指數(shù)為0.9524。通過對以上數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)等溫吸附特征常數(shù)I處于0.1～0.5之間，所以證明活性炭纖維對于水中的鎘離子、銅離子以及鎳離子三種重金屬離子的吸附效果明顯，整體吸附特性較好。

2.4 活性炭纖維對于重金屬離子的負(fù)載情況

借助F1對水中的重金屬離子實(shí)施預(yù)處理，最終確定活性炭纖維對于重金屬離子的負(fù)載情況如下（以鎘離子為例）：當(dāng)活性炭纖維質(zhì)量為0.2g時，活性炭纖維對于水中重金屬離子的負(fù)載量為172.3mg/g，經(jīng)計(jì)算其吸附率為52.7%；當(dāng)活性炭纖維質(zhì)量為0.5g時，活性炭纖維對于水中重金屬離子的負(fù)載量變?yōu)?3.3mg/g，經(jīng)計(jì)算其吸附率為72.1%，當(dāng)活性炭纖維質(zhì)量為1.0g時，活性炭纖維對于水中重金屬離子的負(fù)載量為53.6mg/g，經(jīng)計(jì)算其吸附率為82.5%。

3 討論

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展速度的不斷加快，在很大程度上使得重金屬污染逐漸成為威脅用水安全的關(guān)鍵性因素?；钚蕴坷w維具有明顯的微孔結(jié)構(gòu)多、表面官能團(tuán)較多、比表面積大、吸附速率快以及吸附效率高等一系列優(yōu)勢特征，因此可以將活性炭纖維作為吸附劑，應(yīng)用于水中重金屬的去除工作中。

由本次實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果分析，可以發(fā)現(xiàn)活性炭纖維在去除水中重金屬離子方面具有重要的作用價值。但是在具體的應(yīng)用過程中，活性炭纖維對于水中重金屬離子的吸附效果，會受到pH值、吸附時間等因素的影響。

4 結(jié)語

綜上所述，活性炭纖維對重金屬離子的吸附效果顯著，因此可以將活性炭纖維作為去除水中重金屬離子的吸附劑，具有突出的成本低、效率高諸多應(yīng)用優(yōu)勢。同時活性炭纖維在吸附水中重金屬離子時，在單分子層這一模式下的效果更好，其操作更加便捷，整體吸附特性較好。