活性炭對重金屬污染土治理試驗研究
——以Cu離子為例

李 強

(張北運達風電有限公司，河北 張家口 075000)

0 引 言

我國經濟的迅速發展帶動了我國其他各行各業的繁榮進步，然而隨之而來的各種環境問題也是日益嚴重，其中以土壤污染問題最為凸顯[1-4].土壤本身作為自然環境中的開放系統，當人類活動產生的垃圾(例如生活廢物、工業廢水等)進入土壤環境之后，使得土壤環境的質量發生巨大變化，嚴重影響農副產品的質量[5-7].隨著科技的進步，人類所產生的垃圾的分子結構愈來愈復雜，一些垃圾甚至具有超出人類所能想象的危害.在土壤污染中，以重金屬污染最為廣泛、嚴重，其直接原因為工廠排放的廢水，使得土壤中重金屬超標[8-10].土壤污染具有不易發現的特點，同時隨著時間的累計，污染性會越來越嚴重.我國歷史遺留的土污染問題較為嚴重，土壤污染所導致的年經濟損失已達到2000萬，特別在某些重工業地區，所導致的經濟損失甚至更高.重金屬污染不只是單一污染源所能導致的作用，各金屬離子之間相互影響，可能產生更大的危害，但這對處理土壤污染的手段影響并不大，將單一金屬離子進行處理，離子間相互影響的作用可大幅度消除.本文通過選取某地區重金屬污染土進行活性炭去污試驗來研究活性炭對重金屬Cu離子污染土的治理情況.

1 污染性重金屬概況

重金屬的相對密度大于4.5 g·cm-3的金屬具有嚴重的污染性，包括Cu、Cd等約45種金屬都可導致城市環境的惡化、資源受到污染等多種時間性的問題，土壤中重金屬污染源主要為人類不適當的活動，使得土壤中重金屬含量遠遠超標.土壤中重金屬超標的原因主要有工業廢水、固體垃圾的堆放、大氣沉降以及化肥、農藥的不正當使用.使用重金屬超標的工業污水進行農業灌溉時，不僅對農作物的產量造成重大危害，也對作物的質量產生重大的影響，甚至農作物不產.王顯妍等[11]研究了不同污水濃度之下兩種小麥品種的生長狀況，研究發現隨著污水中重金屬濃度的升高，小麥葉片中的SOD活性因子呈現下降的趨勢，可見重金屬污染對農作物的影響危害之大.表1為采集土樣中重金屬污染類型以及污染程度.

表1 土壤中主要金屬污染物以及其分類

土壤重金屬污染具有危害性強、較難去除等特點，并且其影響時間長，潛伏期長.按上述表中分類情況對所選區域的土質進行測試，測試結果顯示此地區土壤為重度污染土壤，采用改良活性炭對此地區污染土進行治理.

2 改良活性炭制備

活性炭在化學性質上穩定，并且可由廣范圍的材料制得，并且活性炭的吸附能力強，其吸附能力不止限制于物理吸附，其化學吸附作用也越來越受到廣泛的關注，尤其在重金屬污染土壤方面.活性炭的吸附能力取決于原材料的成分、灰度的含量、比表面積等特征有關，因此眾多學者通過改變活性炭的幾個特征來對其進行改良以提高活性炭的吸附能力.本文通過化學改性的方法改良活性炭的吸附能力.采用的化學試劑見表2所示：

表2 改良活性炭所選用化學試劑

圖1 250 ml燒瓶

稱取7.5 g試驗原始活性炭分別放入0.01 mol/L化學試劑中，所放試驗活性炭與溶液的固液比為1∶3，混合物放于250 ml圓底燒瓶中加熱，沸騰之后靜置7小時，將活性炭從混合物中分離出來，用化學試劑去除活性炭中的多余離子，放入干燥箱之中干燥12 h，并準備備用.

活性炭的組成成分在很大的程度上影響著活性炭的吸附能力，羥基作為活性炭中纖維分子中含量很多的成分，對重金屬離子的吸附作用十分強大，但原活性炭中的組成成分對重金屬離子的吸附作用并不大，因此，對活性炭進行改良，并對其成分進行了測定，測定結果見表3：

表3 改良活性炭性質對比

半纖維素是活性炭中主要吸附重金屬離子的物質，通過0.05 mol/L的高錳酸鉀溶液改性之后，其半纖維素的含量提升了0.19%.提升幅度較小，但可較大程度上提升原始活性炭的吸附能力.纖維素、木質素、揮發分、灰分含量的提升都有利于提升活性炭的吸附能力，灰分的降低是由于高錳酸鉀與活性炭表面的物質發生了反應，從而降低了活性炭的灰分.

從表3中可以看出，當對原活性炭進行改良后，半纖維素的含量從原來的6.82%提升到了7.01%，纖維素的含量從1.85%提升到了2.35%，木質素從原活性炭的73.88%提升到改良活性炭的84.63%，揮發分也有了一定的提升，從57.40%提升到了66.76%，提升了10.75%，提升的程度較大，而唯一在活性炭成分中降低的為灰分，原活性炭的灰分為61.72%，而改良活性炭的灰分則降低到了30.85%，降低的幅度較大.

3 試驗與結果分析

為了研究不同改性活性炭對Cu離子的吸附去污染作用，通過高錳酸鉀、濃硝酸、氫氧化鈉改性活性炭對其吸附作用進行測試，并通過更換不同的活性炭添加量，測試了不同添加量的活性炭對吸附作用的影響，測試結果如圖2所示：

(1)KMno4濃度對Cu離子去除率的影響

(2)NaOH濃度對Cu離子去除率的影響

(3)HNO3濃度對Cu離子去除率的影響

從圖2中可以看出，KMno4改良活性炭對Cu離子的去除率影響較大，隨著KMno4改良活性炭的KMno4濃度的升高，改良活性炭的Cu離子去除率升高，當KMno4濃度為0.01mol/L，添加量為2%時，Cu離子的去除率為41.63%，而隨著KMno4濃度的升高，當KMno4濃度達到0.05時，其去除率為82.63%，增長了41%，增長幅度比較大.當KMno4改良活性炭的添加量為4%時，數據整體偏于平緩，當KMno4濃度為0.01mol/L時，Cu離子的去除率為78.25%,而當KMno4濃度漲到0.05mol/L時，其Cu離子的去除率高達93.52%，但Cu離子的去除率僅僅增長了15.27%.當KMno4改良活性炭的添加量達到8%時，數據整體更加平穩，整體呈現增長趨勢，但增長幅度僅有7.5%.同時，改良活性炭的添加量增加時，Cu離子濃度的消除率也在提升，當KMno4溶液濃度為0.01mol/L時，隨著活性炭添加量從2%提升到8%，Cu離子濃度的消除率從41.63%提升到了89%，提升了47.37%，提升的程度較大.而隨著KMno4濃度的增加，改良過的活性炭的消除Cu離子的能力隨著添加量的提升同樣增加，當KMno4濃度為0.03mol/L時，其消除率增長了48.24%，隨著高錳酸鉀濃度的提升，添加量對消除率的影響較小，數據趨近于平緩，整體僅增長了13.87%.

NaOH濃度對Cu離子的消除率影響也較大，尤其以添加量為2%、4%時，數據的整體趨勢均較陡，NaOH濃度提升后的改良的活性炭在0.02mol/L、0.08mol/L的兩點的提升較小，僅提升了3.24%、0.67%，但在NaOH濃度為0.05mol/L時，整體提升較大，提升了42.69%，提升較大.對于添加量為8%時，數據整體趨勢趨于平緩，整體提升了16.1%.添加量的變化對Cu離子的消除率影響并無規律，但從數據整體來說，較高的添加量可提高整體的Cu離子消除率.

對于濃HNO3的改良活性炭，隨著HNO3濃度的提升，Cu離子的消除率出現了峰值和最低值，當添加量為4%、8%時，其HNO3濃度在40%時達到了最大值，而當濃HNO3添加量在2%時，當濃度為40%時，Cu離子的消除率達到了最低值.而濃硝酸添加量的提升可明顯提高Cu離子的消除率，但相比于高錳酸鉀改良后的活性炭來說，高錳酸鉀改良后的活性炭對Cu離子的消除率更高.相比于NaOH改良的活性炭，NaOH的濃度變化后的改良活性炭，曲線整體趨勢更陡，且呈現增長的趨勢.

4 結 論

本文通過研究不同的化學改良之后的活性炭對Cu離子濃度的消除率的影響，并得出了以下結論：

(1)化學試劑可改善原活性炭的特征，從而提高活性炭的吸附率.

(2)對于高錳酸鉀改良的活性炭，提高活性炭的添加量能明顯提高改良后活性炭的吸附率，在處理原活性炭時，提高高錳酸鉀溶液的濃度同樣可以提高改良后活性炭的吸附率.

(3)在用NaOH處理原活性炭時，提高NaOH的濃度可提升活性炭對Cu離子的吸附率，同時提高添加量，也能提高活性炭對離子的吸附率.

(4)濃HNO3對提升活性炭對Cu離子的吸附力影響較小，最高的Cu離子消除率僅有38.26%.