粉末活性炭对水中重金属离子的吸附性能研究
2024-10-18
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第30卷第1期 2017年3月 海南师范大学学报(自然科学版) Journal of Hainan Normal University(Natural Science) Vo1.30 N0.1 Mar.20l7 Doi:10.12051/j.issn.1674-4942.2017.01.005 粉末活性炭对水中重金属离子的吸附性能研究 韩立志,凌瑶,徐霞,王煜,史载锋 (海南师范大学化学与化工学院,海南海口571158) 摘要:活性炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的碳质吸附材料,在污水净化领域 具有广泛的应用价值.根据单一变量原则,研究了粉末活性炭对水中重金属离子Cr(VI)、Cu(Ⅱ) 和Fe(III)的吸附作用.实验结果表明,粉末活性炭能有效去除3种重金属离子,且去除效果受温 度、吸附时间、活性炭用量、溶液pH值的影响.随着活性炭用量、温度或吸附时间的增加,3种离子 的去除率先增后减,而溶液pH值增加时,Cu(Ⅱ)离子的去除率几乎不变,Cr(VI)和Fe(Ⅲ)离子的 去除率却逐渐降低.吸附时间超过30 min时,粉末活性炭对3种离子中的Cu(Ⅱ)离子去除效果最 好,去除率达90%以上.Cu(II)离子的去除最优条件为40。C(温度)、30 min(吸附时间)、0.15 g(活 性炭用量)和2.O(pH). 关键词:粉末活性炭;重金属离子;吸附 中图分类号:TQ 085;X 522 文献标识码:A 文章编号:1674—4942(2017)01—0024—04 Study on the Adsorption of Heavy Metal Ions in Water by Powdered Activated Carbon HAN Lizhi,LING Yao,×U Xia,WANG Yu,SHI Zaifeng’ (School ofChemistry and Chemical Engineering,Hainan Normal University,Haikou 571 158,China) Abstract:Activated carbon is a kind of carbon based adsorption material with abundant pore structure and large speciifc surface area,which is widely used in the field of sewage purification.In this paper,adsorption process of heavy metal ions (Cr(VI),Cu(1I),and Fe(UI))in water by powdered activated carbon(PAC)is studied.The results show that three ions could be adsorbed effectively by PAC and adsorption capacity of PAC is affected by temperature,adsorption time,PAC dosage,and pH value of solution.The removal rates of three ions rose first and then drop with the increasing of tempera— tures,adsorption times,or PAC dosages.The removal rate of Cu(1I)changes little with the increasing of pH value of solu— tion.but the removal rates of Cr(VI)and Fe(11I)decrease.The removal effect of Cu(Ⅱ)by PAC is the best among the three ions when adsorption time is more than 30 mins,and its removal rate gets to above 90%.The optimal conditions of adsorption for Cu(II)are 40 oC in temperature,30 min in adsorption time,0.15 g in PAC dosage and 2.0 in pH value. Key words:powdered activated carbon:heavv metal ions;adsorption 污水及工业废水中所含的汞、铬、镍、铜、铁等有害重金属离子具有不可降解性,容易在生物体内聚集, 最终会严重影响工农业生产和人类的健康.目前,处理水中重金属离子的方法有化学沉淀、吸附、电解、离子 交换和膜分离等--~1.吸附法以其高效经济和操作简便等优点而被广泛应用 .活性炭是一种具有丰富孑L隙 结构和巨大比表面积的碳质吸附材料,常被作为吸附剂处理污水中的各种重金属离子 .师杰等p1采用两种 不同改性方法对活性炭纤维(ACF)进行改性处理,比较其对水中Pb(11)、Cu(1I)和Co(Ⅱ)离子的竞争吸附 效能.结果表明,ACF对三种重金属离子吸附速率较快,吸附60 min基本达到平衡,初始pH变化直接影响 收稿日期:2016—08—21 基金项目:海南省自然科学基金资助项目(20152033) 通讯作者:史载锋,教授,E—mail:zaifengshi@163.com 第1期 韩立志等:粉末活性炭对水中重金属离子的吸附I生能研究 25 ACF对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)离子的去除效果.3种ACF对重金属离子的亲和力顺序均为eb(II)>Cu (11)>Co(11),随着平衡质量浓度的增加,其对Pb(Ⅱ)、cu(Ⅱ)离子的吸附量增大,而对co(Ⅱ)离子的吸附 量呈先增加再下降趋势.又如陈静报道的采用活性炭去除水中硒 ,活性炭投入量和水的pH值与活性炭吸 附效率具有直接关系.水体中硒的浓度为40 ug/L,活性炭投入量为5 g/L时,水体中硒的除去率为81.23%,水 中残留的硒浓度约为6.82 ug/L,已经符合国家规定的饮用水标准(硒浓度10 ug/E).而净化水pH为1.5时,净 化效率为64.23%,升高水体pH达6以上时,净化率达94%以上,达到最佳净化效果.Cr(VI)、Cu(Ⅱ)和Fe (IU)离子是污水中常见的重金属离子,本文采用粉末活性炭对其进行了吸附研究,并探讨了温度、吸附时 间、活性炭用量、pH值对吸附作用的影响,以期寻找吸附的最优条件. 1实验部分 1.1仪器与试剂 DF一101S集热式磁力加热搅拌器(金坛市金南仪器制造有限公司);ALl04精密电子天平(梅特勒一托利 多仪器上海有限公司);UV一2700岛津紫外可见分光光度计(岛津企业管理中国有限公司);Nicolet6700智能 傅里叶红外光谱仪(Thermo Scientiifc美国);FE20实验室pH计(梅特勒一托利多仪器上海有限公司). 粉末活性炭(江苏良有环保科技有限公司)、硫酸铜、十二水合硫酸铁(III)铵、重铬酸钾、氯化羟胺、邻二 氮菲、乙二酸四乙酸二钠、二苯碳酰二肼、盐酸、硫酸、磷酸等均为国产分析纯. 配制质量浓度为0.100 mg/mL的Cr(VI)标准溶液、3 mg/mL的cu(Ⅱ)标准溶液、0.024 mg/mL的Fe(Ⅲ) 标准溶液作为储备液,实验时用去离子水稀释至相应的质量浓度. 1.2实验方法 1.2.1活性炭的预处理 称取适量活性炭粉末于500 mL烧杯中,加入少量蒸馏水,搅拌,用蒸馏水与酒精反复清洗并抽滤,将得 到的固体放人烘箱烘干成固体即可. 1.2.2实验过程 取若干个250 mL容量瓶编号,1—4号各加入处理过的活性炭0.20 g和Cr(VI)标准溶液14 mL,5—8号 各加入0.15 g活性炭和cu(Ⅱ)标准溶液9 mL、9~12号各加入0.15 g活性炭和Fe(Ⅲ)标准溶液15 mL,全部 稀释至100 mL.调节pH,用保鲜膜密封容量瓶,在DF一101S集热式磁力加热搅拌器中搅拌,改变活性炭用量 (0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 g)、pH值(2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0)、温度(30、40、50、60、70、80 c【=)、吸附时间 (15、3O、60、90、120min),研究其对活性炭吸附水中重金属离子的吸附影响.实验过程中,重金属离子的吸附 实验平行测定5次,保持测定条件一致,结果取平均值. 1.2_3检测过程 一Cr(VI)溶液的残余浓度:取cr(vI)滤液5.0 mL至50 mL容量瓶,加水稀释,分别加人磷酸溶液(V磷 /V水 l:1)0.5 mL、硫酸溶液(V硫酸/V水=1:1)0.5 mL、2.0 mol/L的二苯碳酰二肼溶液2 mL,定容至50 mL.在540 am波长下以紫外可见分光光度计测定其吸光度. cu(Ⅱ)溶液的残余浓度:取cu(Ⅱ)滤液5.0 mL至50 mL容量瓶,定容,转移至烧杯,分别加入pH为6的 缓冲溶液15 mL和0.2 mol/L的EDTA溶液25 mL.搅拌均匀后,在730 nm波长下以紫外可见分光光度计测定 其吸光度. Fe(Ⅲ)溶液的残余浓度:取Fe(III)滤液5.0 mL至50 mL容量瓶,加水稀释,分别加入1 mol/L的NaAc溶 液5 mL、10%的盐酸羟胺溶液1 mL、1.5 g,L的邻二氮菲液2 mL,定容至50 mL,在510 nm波长下用紫外可见 分光光度计测定其吸光度. 2结果与讨论 2.1活性炭用量对吸附去除率的影晌 海南师范大学学报(自然科学版) 按1.2.2节所述测试活性炭用量对吸附去除率的影响,充分反应后冷至室温,反复清洗并抽滤,其去除率 结果见图1. 活性炭表面的孔隙结构及官能团是评价活性炭吸附能力的主要指标.由图1可知,投碳量相同时,PAC 对Cu(Ⅱ)离子的吸附能力远大于Fe(Ⅲ)和Cr(VI)离子.随着活性炭投加量的增加,PAC对三种金属离子的 去除率逐渐增大,其中,Fe(Ⅲ)离子的去除率增加最快.当活性炭用量为0.15 g时,cu(Ⅱ)和Fe(m)离子的 去除率达到最大值,分别为97.34%和84.26%,而活性炭用量为0.20 g时,Cr(VD离子的去除率达到最大值, 为81.86%,与活性炭用量为0.15 g时的去除率(81.34%)仅相差0.52%.之后再继续增加投碳量,三种重金属 离子的去除率变化不明显,吸附达到饱和. 2.2 pH值对吸附去除率的影响 按1.2.2节所述测试pH值对吸附去除率的影响,充分反应后冷至室温,反复清洗并抽滤,其去除率结果 见图2. ~ ,~ \ 瓣 活性炭用量(g) 图1活性炭用量对去除率的影响 Fig.1 Effect of PAC dosage on removal rates 图2溶液pH值对D去除率的影响 n Fig.2 Effect of pH value on remove rates 溶液pH值可以改变活性炭表面官能团的电离状态和金属离子存在形式,对活性炭吸附重金属离子有 着重要影响.由图2可看出,PAC对Cr(VI)和Fe(111)离子的吸附效果受溶液pH值影响较大,而对Cu(Ⅱ)离 子影响较小.pH=2.0时,Cr(VI)和Fe(m)离子的去除率较大,分别为86.82%和80.18%.而随着pH值的增 大,Cr(VI)和Fe(Ⅲ)离子的去除率逐渐减小.其中,对于Cr(VI)离子来说,溶液pH值较小时,Cr(VI)离子主 要以铬酸氢根(HCr04-)形式存在,活性炭表面富有含氧官能团,能与铬酸氢根形成氢键,Cr(VI)离子去除率 高;而当pH值增加时,Cr(VI)离子主要以铬酸根(CrO.2-)存在,在同等量下的Cr(VI)离子,Cr042-结合的官能 团要比HCrO.-多,同时溶液中的OH一也会消耗活性炭表面的酸性官能团,使得Cr(VI)离子去除率会一直降 低.pH=4.0时,cu(Ⅱ)离子的去除率达到最大值,为95.53%,与pH=2.0时的去除率(93.42%)相差2.11%. 溶液pH在2~7之间相同时,PAC最易去除Cu(Ⅱ)离子. 2.3温度对吸附去除率的影响 按1.2.2节所述测试温度对吸附去除率的影响,充分反应后冷至室温,反复清洗并抽滤,其去除率结果见 图3. 三种离子的去除率均随温度升高呈先增后减的趋势.温度为40 o(=时,它们的去除率最大,分别为 98.17%、82.54%、86.41%.其原因为温度的升高促进了液体内分子的热运动,加快了吸附平衡;而温度过高, 降低了活性炭表面官能团和金属离子之间的络合作用,导致吸附性能发生一定程度的下降 1.同Cr(VI)和Fe (Ⅲ)离子相比,PAC对Cu(1I)离子的吸附作用受温度的影响较小,cu(Ⅱ)离子的去除率均在90%以上,且大 于Cr(VI)和Fe(Ⅲ)离子.所以,PAC对试验三种重金属离子的吸附效果最佳温度为40℃. 2.4吸附时间对吸附去除率的影响 按1.2.2节所述测试吸附时间对吸附去除率的影响,充分反应后冷至室温,反复清洗并抽滤,其去除率结 第1期 果见图4. 韩立志等:粉末活性炭对水中重金属离子的吸附f!生能研究 27 ,^、 ,一、 斟 料 温度(℃) 图3温度对去除率的影响 Fig.3 Effect of temperature on remove rates 吸附时间(min) 图4吸附时间对去除率的影响 Fig.4 Effect of adsorption time on remove rates PAC对三种离子的吸附均经历了快速吸附、慢速吸附、最后达到动态平衡的过程.这是因为随着时间的 增加,活性炭表面的活性位点、孑L隙与金属离子相结合,传质动力减少,吸附速度也因此而减慢直至达到平 衡.其中,Cu(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)离子的去除率变化曲线非常相似.吸附时间为30 min时,经过快速吸附,两种离子 的去除率达到最大值,分别为94.21%和82.34%;而吸附时间为120 min时,它们的去除率变化微小,小于 1.05%,说明PAC对cu(Ⅱ)和Fe(m)离子的吸附时间达到30 min时,吸附开始达到动态平衡,并且,PAC对 Cu(Ⅱ)离子的去除效果要优于Fe(m)离子.而对于Cr(VI)离子,当吸附时间为90 min时,其去除率达到最大 值,为94.15%. 3结论 采用粉末活性炭对水中重金属离子Cr(VI)、Cu(Ⅱ)和Fe(111)进行了吸附研究。结果表明,PAC对三种 离子的吸附效果受活性炭用量、溶液pH值、温度、吸附时间的影响.活性炭用量、温度或吸附时间增加,三种 离子的去除率先增后减,而溶液pH值增加,cu(Ⅱ)离子的去除率变化很小,Cr(VI)和Fe(Ⅲ)离子的去除率 却逐渐降低.综合来看,PAC去除Cr(VI)、Cu(1I)和Fe(III)离子的最优条件为:温度为40 cC,吸附时间为30 min,活性炭用量为0.15 g,溶液pH为2.0,且在该条件下,Cu(Ⅱ)离子的去除效果为最好,其次是Fe(IU)和Cr (VI)离子.总之,可采用PAC对含有Cr(VI)、Cu(1I)和Fe(m)重金属离子的污水进行有效处理. 参考文献: 【1】李静,王成文,范钦莉,等.铋膜修饰碳离子液体糊电极测定痕量铅离子的研究【J】.海南师范大学学报(自然科学版),2015, 28(4):400-403. 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