改性玉米秸稈對水體中Pb2＋的吸附

許桂花， 姚艷紅， 李承范

（1.延邊大學(xué)理學(xué)院 化學(xué)系；2.延邊大學(xué) 分析測試中心：吉林 延吉，133002）

改性玉米秸稈對水體中Pb2＋的吸附

許桂花1， 姚艷紅2， 李承范2

（1.延邊大學(xué)理學(xué)院 化學(xué)系；2.延邊大學(xué) 分析測試中心：吉林 延吉，133002）

對改性玉米秸稈對水體中重金屬Pb2＋的吸附性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明：在濃度≤30 mg／L的Pb2＋的水體中，當(dāng)改性秸稈的加入量為0.2 g、p H值為6.0～8.0、溫度為298 K時(shí)，經(jīng)過40 min即可達(dá)到吸附平衡，且Pb2＋的吸附率為94.57%，吸附量為9.01 mg／g.采用雙常數(shù)方程擬合該吸附過程的動力學(xué)特征曲線，R2為0.867 7；其吸附等溫線可用Langmuir和Temkin方程很好地?cái)M合，其中Langmuir方程擬合得最好（R2為0.996 6），最大飽和吸附量為9.12 mg／g.

玉米秸稈；改性；Pb2＋；吸附

Pb2＋具有毒性，在環(huán)境中不易轉(zhuǎn)化，當(dāng)其通過各種途徑進(jìn)入水體后，經(jīng)過水中各種生物鏈的富集，最終會對人體產(chǎn)生危害［1］.傳統(tǒng)的去除水體中Pb2＋的方法有化學(xué)沉淀法、電解法、離子交換法和膜技術(shù)分離法等，這些方法最突出的問題在于處理低濃度的金屬廢水時(shí)，操作繁瑣，運(yùn)行費(fèi)用較高，且易造成2次污染.目前，吸附法［2］作為一種較為高效、經(jīng)濟(jì)的Pb2＋廢水處理方法受到人們的普遍關(guān)注.一些學(xué)者已將一些農(nóng)業(yè)廢棄物如甘蔗渣［3］、花生殼［4］、蘋果渣［5］等改性制備成離子吸附劑，并取得了良好的效果.本文將玉米秸稈進(jìn)行化學(xué)改性后制備成吸附劑，研究其對生產(chǎn)及生活中Pb2＋廢水的處理效果，以實(shí)現(xiàn)秸稈的資源再利用，同時(shí)為水體中Pb2＋的處理提供科學(xué)的參考依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料的收集與制備

玉米秸稈樣品采自龍井市開山屯鎮(zhèn)光照鄉(xiāng)，用去離子水洗凈，烘干，粉碎后過80目篩子，備用.

1.2 試劑與儀器

試劑有鹽酸，氫氧化鈉，氯化鋅，去離子水，Pb2＋標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 mg／L）.儀器用7 500電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP－MS），MK－Ⅱ型光纖孔壓微波消解器（上海新科微波技術(shù)應(yīng)用研究所），酸度計(jì)（PHS－3C），電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（101－2－S），水浴恒溫振蕩器（SHA－B），50 m L聚乙烯離心管，抽濾裝置.

1.3 改性玉米秸稈的制備

以玉米秸稈質(zhì)量的2倍、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的ZnCl2溶液浸漬玉米秸稈24 h后，用微波爐（功率為750 W）活化3 min，再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的稀鹽酸和去離子水漂洗，調(diào)節(jié)p H值為7，抽濾，烘干.

1.4 吸附動力學(xué)實(shí)驗(yàn)

分別稱取0.2 g（精確到0.000 1 g）改性玉米秸稈若干份，置于50 m L聚乙烯離心管中，再分別加入含Pb2＋20 mg／L的溶液（空白組除外），使溶液中Pb2＋的初始濃度分別為5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 mg／L；用去離子水調(diào)節(jié)溶液的p H 值為7，然后定容至20 m L.同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn).于恒溫振蕩器中以200 r／min的速度振蕩10、20、30、40、50、60、70 min后過濾，用ICP－MS測定濾液中金屬離子的濃度，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.扣除空白，由初始濃度和平衡濃度之差，計(jì)算出不同吸附時(shí)間下改性玉米秸稈對金屬的吸附量及吸附率.分別采用一級動力學(xué)方程、雙常數(shù)方程、Elovich方程［6］等對該過程的吸附動力學(xué)進(jìn)行擬合.Pb2＋的吸附量計(jì)算公式為Q＝（C0－Ce）×V／W，式中Q為吸附量（mg／kg）；C0為初始濃度（mg／L）；Ce為平衡濃度（mg／L）；V 為溶液體積（20 m L）；W 為吸附劑質(zhì)量（g）.

1.5 吸附等溫實(shí)驗(yàn)

分別稱取0.2 g（精確到0.000 1 g）改性玉米秸稈若干份，置于50 m L聚乙烯離心管中，并分別加入含Pb2＋20 mg／L的溶液（空白組除外），使溶液中Pb2＋的初始濃度分別為5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 mg／L；用去離子水調(diào)節(jié)溶液的p H 值為7，然后定容至20 m L.同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn).于恒溫振蕩器中以200 r／min的速度振蕩40 min后過濾，測定溶液中Pb2＋的濃度（重復(fù)3次）.扣除空白，由初始濃度和平衡濃度之差，計(jì)算出不同濃度下改性玉米秸稈對金屬的吸附量及吸附率.做出吸附等溫線，并模擬不同的吸附等溫模型［7］，得出吸附等溫式及特征值.

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附劑用量對Pb2＋吸附效果的影響

取8支50 m L聚乙烯離心管，分別加入改性玉米秸稈0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.40 0.50、0.60 g（精確到0.000 1 g），然后再分別加入20 mg／L的Pb2＋溶液（空白組除外）20 m L.同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn).在298 K條件下，以200 r／min的速度恒溫振蕩40 min后過濾，用ICP－MS測定濾液中Pb2＋的濃度，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.扣除空白，由初始濃度和平衡濃度之差，計(jì)算吸附量及吸附率，結(jié)果如圖1所示.

圖1 改性玉米秸稈投加量對Pb2＋吸附效果的影響

從圖1可以看出：隨著改性玉米秸稈投加量的增大，改性玉米秸桿對Pb2＋的吸附率也隨之升高，當(dāng)改性玉米秸稈質(zhì)量為0.2 g時(shí)，吸附率的變化不明顯，但吸附量迅速降低；投加改性玉米秸稈質(zhì)量為0.2 g時(shí)，吸附率為89.69%，吸附量為8.33 mg／g.因此，確定0.2 g為吸附劑的最佳投加量.

2.2 p H值對Pb2＋吸附效果的影響

分別稱取0.2 g（精確到0.000 1 g）改性玉米秸稈若干份，置于50 m L聚乙烯離心管中，再分別加入20 mg／L的Pb2＋溶液（空白組除外），然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的稀鹽酸和0.1 m L／L的氫氧化鈉調(diào)節(jié)，使其p H 值分別為1.0、2.0、3.0、4.0 5.0、6.0、7.0、8.0、9.0.同時(shí)做空白試驗(yàn).在298 K條件下，以200 r／min的速度恒溫振蕩40 min后過濾，測定濾液中Pb2＋的濃度，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.扣除空白，由初始濃度和平衡濃度之差，計(jì)算不同p H值下的吸附量及吸附率，結(jié)果如圖2所示.

圖2 p H值對Pb2＋吸附效果的影響

由圖2可以看出：在p H值為1.0～5.0時(shí)，隨著p H值增大，改性玉米秸稈對Pb2＋的吸附率及吸附量迅速增加；在p H值為7.0時(shí)，吸附率及吸附量基本達(dá)到最大，分別為91.13%和9.31 mg／g.這是由于隨著p H值的升高，改性玉米秸稈表面的正電位降低，進(jìn)而促進(jìn)了吸附［8］.p H 值超過7.0后，吸附率和吸附量變化不明顯，因此本文在以下的實(shí)驗(yàn)中p H值選擇為7.

2.3 振蕩時(shí)間對Pb2＋吸附率及吸附量的影響

分別稱取0.2 g（精確到0.000 1 g）改性玉米秸稈若干份，置于50 m L聚乙烯離心管中，再分別加入20 mg／L Pb2＋溶液（空白組除外），調(diào)p H值為7，用去離子水定容.同時(shí)做空白試驗(yàn).在298 K條件下，以200 r／min的速度恒溫振蕩10、20、30、40、50、60、70 min，取出樣品后過濾，測定濾液中Pb2＋的濃度，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.計(jì)算吸附量及吸附率，結(jié)果如圖3所示.

圖3 震蕩時(shí)間對Pb2＋吸附效果的影響

由圖3的動力學(xué)曲線可以看出：在20 min內(nèi)完成了總吸附量的83.64%～84.86%，20～40 min時(shí)完成了總吸附量的7.38%～8.61%，這可能是由于吸附劑上的活性位置被充分利用［9］，40 min以后吸附達(dá)到平衡.因此，改性玉米秸稈對Pb2＋的吸附是一個(gè)快速吸附過程，40 min即可達(dá)到吸附平衡.

選用一級動力學(xué)、雙常數(shù)方程、Elovich方程對改性玉米秸稈的Pb2＋吸附動力學(xué)過程進(jìn)行了擬合，其中雙常數(shù)方程的R2最大，為0.876 6，擬合方程為ln Q＝4.299＋0.876 6 ln t，擬合效果最好.其原因可能是改性玉米秸稈對Pb2＋吸附的主要形式是層間陽離子交換和表面絡(luò)合吸附［10］，而并非是單一機(jī)制，同時(shí)也有可能與玉米秸稈改性后的結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)的變化有關(guān)系.由于改性玉米秸稈的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具體的結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)的變化有待進(jìn)一步的研究.

2.4 玉米秸稈對Pb2＋吸附的熱力學(xué)特征

2.4.1 Pb2＋的 吸 附 等 溫 線 在 Pb2＋濃 度為0.0～60 mg／L范圍內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，根據(jù)靜態(tài)平衡吸附實(shí)驗(yàn)測定的平衡濃度，計(jì)算后分別得改玉米秸稈對Pb2＋的平衡吸附量.在298 K下，做Pb2＋的吸附等溫曲線，結(jié)果見圖4.由圖4可以看出：當(dāng)Pb2＋濃度為0.0～20 mg／L時(shí)，吸附量迅速增加到8.56 mg／g；而在濃度為25～60 mg／L時(shí)吸附量增加變緩，當(dāng)吸附量增加到9.10 mg／g時(shí)吸附趨于平衡.

圖4 改性玉米秸稈對Pb2＋的吸附等溫線

2.4.2 吸附模型的模擬 分別用Freundlich Langmuir和Temkin方程，對改性玉米秸稈對Pb2＋的吸附等溫線進(jìn)行擬合，擬合方程如表1所示.由于數(shù)據(jù)相同，均采用一元非線性方法擬合所以可以根據(jù)相關(guān)系數(shù)（R2）最大、K 最小原則對不同方程的擬合效果即精度進(jìn)行比較.從表1可看出，對于改性玉米秸稈用Langmnir等溫式的線性轉(zhuǎn)換C／Q＝1／K1Qmax＋C／Qmax是最合適的.

表1 改性玉米秸稈對Pb2＋的擬合模型參數(shù)

2.5 改性后玉米秸稈吸附性能的變化

分別稱取0.2 g（精確到0.000 1 g）玉米秸稈和改性玉米秸稈若干份，置于50 m L離心管中，再分別加入10、20、30 mg／L Pb2＋溶液（空白組除外），調(diào)p H值為7，用去離子水定容.同時(shí)做空白試驗(yàn).在298 K條件下，以200 r／min的速度恒溫振蕩40 min后取出樣品，測定濾液中Pb2＋的濃度，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.計(jì)算吸附量及吸附率，結(jié)果見表2.

表2 玉米秸稈改性前后吸附能力的對比

3 結(jié)論

本文的研究表明，通過化學(xué)改性的玉米秸稈對水體中Pb2＋的吸附效果優(yōu)于未改性的玉米秸稈，將玉米秸稈制備成吸附劑，不但可實(shí)現(xiàn)秸稈的資源化利用，而且還可達(dá)到“以廢治廢”的目的，同時(shí)也能為水體中Pb2＋的處理提供一定的參考依據(jù).而對于其他重金屬，如Cd2＋、As3＋等，是否也具有較好的吸附效果還有待于進(jìn)一步研究.

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The adsorption of heavy metal ion Pb2＋in water with the modified corn straw

XU Gui－h(huán)ua1， YAO Yan－h(huán)ong2， LI Cheng－fan2
（1.Department of Chemistry，College of Science，Yanbian University；2.Analysis and Inspection Center，Yanbian University：Yanji 133002，China ）

The adsorption of heavy metal ion Pb2＋in water with the modified corn straw are studied.The results show that the adsorption rate of Pb2＋in water is 94.57%，adsorption capacity is 9.01 mg／g and absorbing equilibrium time is 40 minutes，when the dosage of corn strawis 0.2 g p H is 6.0－8.0 and adsorbing temperature is 298 K for the Pb2＋concentration in water is less than 30 mg／L.Two－constant equation can be used to fit the dynamics characteristic curve，R2is 0.867 7；both Langmuir and Temkin equation can be used to fit well the adsorption isotherm，moreover，the former is better than the latter，R2is 0.996 6，the maximum amount of saturated adsorption is 9.12 mg／g.

corn straw；modified；Pb2＋；adsorption

X703.1

A

1004－4353（2012）03－0228－04

20120702

許桂花（1967—），女，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)樗h(huán)境污染與治理.