SiW11/石墨烯對含Cu2+的重金屬廢水的吸附性能

馬旭光

(黑龍江省齊齊哈爾生態環境監測中心，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

隨著我國的經濟高速發展，現代化工業進程的加快，重金屬已經逐步成為危害環境發展以及人類生活的問題之一[1]。銅離子是動植物和人類必須的微量元素，但是當其含量過高時，就會出現生理受阻、發育停滯，甚至導致死亡，當其含量過高也會對水生生態系統造成結構、功能等方面的影響[2]。重金屬離子具有富集性，生態系統中的微生物很難降解重金屬[3]。當前重金屬廢水一般采用化學沉淀法、離子交換法、絮凝法、膜分離法、生物處理技術和吸附法等[4]。由于吸附法操作簡單、效率高、成本低等優點被廣泛應用。本研究以SiW11/GO為吸附劑，考察了其對模擬廢水中的Cu2+的吸附性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

AFG型原子吸收分光光度計(普析通用)；BSA124S電子分析天平(sartorius賽多利斯)。SiW11/GO實驗室自制；其它試劑均為分析純；實驗用水為超純水。

1.2 吸附實驗

在避光條件下，取150 mL不同濃度的銅離子溶液，分別加入一定量的吸附劑SiW11/GO，在不同反應條件下，放置一定時間后，測量溶液中銅離子濃度的變化，通過計算去除率和吸附量衡量吸附劑的吸附能力。Cu2+的去除率(E)的計算，見式(1)：

式(1)中，吸附前溶液中Cu2+的濃度為C0(mg/L)；吸附后溶液中Cu2+的濃度為C1(mg/L)；Cu2+溶液的體積為V(L)；吸附劑的用量為m(g)。

2 結果與討論

2.1 不同條件下對Cu2+吸附性能影響

2.1.1 吸附時間對Cu2+吸附的影響

吸附劑投加量為0.5 mg，Cu2+溶液濃度為1.5 mg/L，在常溫避光條件下，吸附時間對Cu2+吸附的影響結果如圖1所示。

圖1 吸附時間對Cu2+吸附的影響

由圖1可見，吸附劑SiW11/GO對Cu2+的去除率，隨著時間的增加而不斷增大，在90 min以前，吸附劑的吸附速率較快，90 min以后隨著時間的延長吸附速率逐漸緩慢；在120 min后SiW11/GO吸附達到平衡。由于在吸附初期吸附劑的表面有較多的吸附位點，且溶液中Cu2+的濃度相對較高，使吸附劑的去除率相對較快，在90 min后，兩種吸附劑表面的吸附位點減少，去除率也隨之降低[5]。

2.1.2 SiW11/GO用量對銅離子吸附的影響

圖2 吸附劑量對Cu2+吸附的影響

銅離子溶液濃度為1.5 mg/L，吸附劑投加量分別為0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0 mg ，在常溫避光條件下，考察吸附過程中Cu2+溶液濃度的變化。由圖2可見，Cu2+的去除率隨著吸附劑的量的增加而增大，當吸附劑的投加量為2.0 mg時，SiW11/GO的吸附趨于平衡，去除率為96.99%。這是因為，在同樣濃度的Cu2+溶液中，吸附劑增多，吸附位點也越來越多，去除率也就越來越大[6]。

2.1.3 pH值對吸附效果的影響

調節Cu2+溶液pH值分別為2、3、5、6、7、8，吸附劑投加量為2.0 mg，在常溫避光的條件下，考察吸附過程中pH值對溶液中Cu2吸附的影響，結果見圖3。由圖3(b)可知，未加吸附劑時，溶液pH值由2增加到7，Cu2+濃度基本不變，但當pH值大于7之后，由于溶液中的OH-與Cu2+反應生成沉淀，使溶液中Cu2+濃度驟降。由圖3(a)可知，而加入吸附劑后，隨著溶液pH值的增加，去除率也隨之升高，當pH值大于7之后，吸附劑對溶液中Cu2+的吸附性能驟增。這是因為，當溶液的pH較低時，溶液中的H+數量較多，與Cu2+形成競爭吸附位點，使吸附劑表面的靜電斥力增加，使吸附劑對Cu2+的吸附量變低；隨著隨著pH的升高，H+數量減少，吸附劑表面吸附位點增加，吸附能力提高[5]；當pH值大于7之后，溶液中的OH-與Cu2+反應生成沉淀，溶液中Cu2+濃度驟降。因此，吸附劑對Cu2+吸附的最佳pH值為7。

(a)未加入吸附劑，(b)未加入吸附劑

2.2 吸附等溫線和吸附動力學實驗

2.2.1 吸附等溫線實驗

用Langmuir等溫吸附模型來描述SiW11/GO兩種吸附劑對Cu2+的吸附，Langmuir等溫線方程的線性形式為：

式(2)中，qmax-最大吸附量，mg/g；Ce-吸附達到平衡時Cu2+溶液的濃度，mg/L；

qe-吸附平衡時吸附劑吸附量，mg/L；kL-吸附反應平衡常數，L/g。

根據Langmuir吸附等溫方程，由實驗數據繪制和SiW11/GO對Cu2+的吸附等溫線。

圖4 SiW11/GO對Cu2+的吸附等溫線

如圖4所示，吸附劑SiW11/GO對Cu2+的吸附能較好的符合Langmuir吸附等溫方程，線性相關系數 =0.9928。

2.2.2 吸附動力學研究

吸附劑的投加量為2.0 mg，pH值=7，Cu2+溶液的濃度為1.5 mg/L ，在常溫避光條件下，采用準二級吸附動力學方程進行擬合。準二級吸附動力學公式(3)所示。

式中，t-吸附反應時間，min；Qe-平衡時的吸附量，mg/g；Qt- 時刻的吸附量，mg/g；k2-準二級吸附速率常數，g/(mg·min)。

圖5 SiW11/GO對Cu2+的準二級吸附動力學圖

圖5是吸附劑SiW11/GO對Cu2+的準二級反應動力學曲線圖，可知：吸附劑的準二級模型計算得到的平衡吸附量為89.29 mg/g ,與實驗測得的吸附量87.83 mg/g更加接近；吸附劑的準二級動力學模型R2=0.9987，更加接近1。因此，準二級模型能更好的描述吸附劑對Cu2+溶液的吸附行為。

3 結論

本文以SiW11/GO為吸附劑，對模擬含Cu2+的廢水進行吸附實驗。實驗結果表明，吸附劑對Cu2+的吸附效果明顯，當吸附劑投加量為2.0 mg，Cu2+廢水濃度為1.5 mg/L，溶液pH值=7時，去除率分別為96.99%，吸附量為87.83 mg/g。