油菜花秸稈制備的活性炭對(duì)銅離子吸附的實(shí)驗(yàn)研究

朱彥莉　鄧峰煜　陳思思　吳曉磊

摘 要:活性炭吸附法是處理含重金屬?gòu)U水的重要方法,本實(shí)驗(yàn)采用氫氧化鈉活化法,以廢棄的油菜花秸稈為原料,馬弗爐加熱炭化,水洗、干燥制備生物質(zhì)活性炭,并用其對(duì)重金屬銅離子進(jìn)行了吸附實(shí)驗(yàn)。在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差分析,得出結(jié)論:pH是影響銅離子去除率的主要因素,其次是活性炭顆粒的粒徑。此外采用單因子控制法,定性分析了pH和顆粒粒徑對(duì)銅離子去除率的影響,得出活性炭對(duì)銅離子吸附時(shí)的最佳pH為4～6,最適粒徑為1.0mm。

關(guān)鍵詞:油菜花秸稈活性炭銅離子吸附

中圖分類號(hào):X13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)07(c)-0002-02

環(huán)境污染問題特別是由造紙、采礦、電鍍等工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的重金屬污染問題越來越嚴(yán)重。重金屬在環(huán)境中不可自行分解,隨食物鏈傳遞在生物體內(nèi)積累,最終引發(fā)慢性或急性中毒。對(duì)含重金屬離子的廢水,傳統(tǒng)的處理方法有化學(xué)沉淀、離子交換、化學(xué)氧化與還原、反滲透、電滲析以及超濾等[1]。然而傳統(tǒng)技術(shù)都存在一定程度的局限性,包括處理效率低、運(yùn)行條件嚴(yán)、處理費(fèi)用高等。目前新型的處理技術(shù)是活性炭吸附,活性炭是一種具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)吸附能力的含碳材料,具有耐酸、耐堿、耐高溫、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn),而這技術(shù)需要大量的活性炭,因此,亟待開發(fā)運(yùn)行成本低、吸附能力強(qiáng)、處理效率高、環(huán)保效益好的新型吸附劑。

目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用農(nóng)業(yè)廢棄物作為活性炭制備原料,如佟雪嬌、李九玉等制備了稻草炭[2],魯秀國(guó)、饒婷等用廢棄核桃殼粉合成活性炭[3],而孔海平等利用花生殼制備活性炭[4],但有關(guān)廢棄油菜花秸稈制備的活性炭的相關(guān)吸附研究甚少。本文以油菜花秸稈為原料,用氫氧化鈉改性制備了活性炭,并用所制備的活性炭對(duì)銅離子進(jìn)行了吸附實(shí)驗(yàn),研究結(jié)果可為含銅廢水處理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

電子分析天平(AB104—S)、調(diào)速多用振蕩器(ZD-8801)、馬弗爐(DHG-9425A)、精密PH儀(PHS-3C)、原子吸收分光光度儀(SolaarMk2-M)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG—9123A)、篩子。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 活性炭的制備(氫氧化鈉活化法)

將油菜花秸稈洗凈、晾干、切斷,放入400℃馬弗爐炭化1h,冷卻后得初步碳化炭粉,將其與NaOH顆粒3∶1混合后放入馬弗爐380℃保溫30min,后750℃保溫1h,待冷卻,將產(chǎn)物用去離子水洗滌至pH恒定(6附近),120℃鼓風(fēng)干燥箱,烘干,制得活性炭[5]。

1.2.2 模擬微污染水的配制

用分析天平稱取一定質(zhì)量的CuSO4·5H2O,用蒸餾水溶解,配成銅離子濃度為100mg/L的溶液,實(shí)驗(yàn)時(shí)將該水樣稀釋為所需濃度為60.445mg/L的模擬微污染水。

1.2.3 吸附實(shí)驗(yàn)步驟

(1)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)活性炭對(duì)銅離子吸附時(shí)的影響因素PH和吸附劑粒徑的重要性設(shè)計(jì)了本次正交實(shí)驗(yàn),對(duì)每個(gè)因素取三個(gè)水平,正交實(shí)驗(yàn)表如表1所示。

(2)單因子影響實(shí)驗(yàn)

取一定濃度的100mL模擬微污染水于250mL錐形瓶中,加2g已用油菜花秸稈制備的活性炭,放入調(diào)速多用振蕩器于室溫25℃下振蕩60min(轉(zhuǎn)速為200r/min),吸附后用濾紙過濾,取其濾液測(cè)定銅離子濃度,實(shí)驗(yàn)采用單一因素控制變量法,考察pH、吸附劑粒徑對(duì)吸附效果的影響。

1.2.4 吸附效果表征

吸附效果用銅離子的去除率(D,%)來表征。其計(jì)算式如下;

D=(C0-C1)/C0*100%

式中:C0、C1分別為吸收前后銅離子的質(zhì)量濃度mg/L

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)表1正交實(shí)驗(yàn)表所列順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,結(jié)果如表2所示

從極差分析可知,對(duì)銅離子去除的影響因素是pH值大于吸附劑粒徑,通過綜合分析可知,二者的最佳組合為pH=4,吸附劑粒徑為0～0.074mm,此時(shí),銅離子的去除率高達(dá)98.2%。

2.2 單因子影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:

2.2.1 水樣pH對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)效果的影響:

圖1結(jié)果表明,油菜花秸稈制備的活性炭對(duì)銅離子的吸附去除率在酸性范圍內(nèi)隨pH增加而增大,其中,在pH2～3范圍內(nèi)銅離子去除率隨pH升高顯著增加,但在pH3～6范圍內(nèi),銅離子去除率隨pH升高的增幅較小,說明溶液的pH值變化對(duì)銅離子的去除率影響較大。

造成這種現(xiàn)象的主要原因是溶液pH可以影響銅離子在水溶液中的存在形式和吸附劑表面功能集團(tuán)的帶電狀態(tài),從而影響它們間的相互作用。當(dāng)pH在酸性范圍內(nèi)時(shí),銅離子以Cu2+、CuOH+兩種形態(tài)存在尤以Cu2+顯著,吸附劑表面所帶的負(fù)電荷與Cu2+之間存在靜電作用力,隨著PH增大,H+的濃度減小,活性炭表面的-COOH、-OH基的解離程度增大,活性炭對(duì)銅離子的靜電引力變大,H+的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)變小,最終活性炭對(duì)銅離子的吸附能力變強(qiáng),銅離子的去除率變大。當(dāng)pH增大到4～6之間,活性炭與Cu2+之間存在吸附作用,同時(shí)存在絡(luò)合反應(yīng)(Cu2+與-COOH、-OH)。在中性至堿性溶液中,吸附劑與銅離子之間存在吸附作用,同時(shí)Cu(OH)2生成,此時(shí),Cu2+的去除率進(jìn)一步提高,但當(dāng)pH過高時(shí),溶液呈膠體狀態(tài),不易固液分離且不利于吸附劑的綜合利用[6-9]。綜合各種因素,吸附劑對(duì)銅離子吸附的最佳pH為4～6。

2.2.2 吸附劑粒徑對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)效果的影響:

從圖2可以看出,在0～1.00mm范圍內(nèi),銅離子的去除率隨著粒徑的增大而增大,但當(dāng)粒徑大于1.00mm時(shí),銅離子的去除率反而隨粒徑的增大而減小,因此,最適粒徑在1.00mm附近。此外,可以看出,粒徑的變化對(duì)銅離子去除率的影響并不大。

高溫化學(xué)活化是油菜花秸稈與活化劑發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)、氧化侵蝕炭體的過程,活化完成后,將活化劑洗滌溶解后,在炭體上留下無數(shù)微孔,形成大比表面積的活性炭。當(dāng)氫氧化鈉做活化劑時(shí),生成可溶性硅酸鈉、碳酸鈉等小分子物質(zhì),經(jīng)水洗過程被除去并留下孔徑均一的微孔[7]。當(dāng)吸附劑的粒徑過小,可能改變其原有結(jié)構(gòu),破壞其吸附性能,導(dǎo)致銅離子的去除率較低;當(dāng)粒徑過大時(shí),其比表面積變小,去除率降低[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)用油菜花秸稈制備的活性炭對(duì)銅離子的去除具有較好的效果,通過正交實(shí)驗(yàn)可知,油菜花秸稈制備的活性炭對(duì)銅離子的去除影響因素中,pH的影響大于吸附劑粒徑。

(2)在正交實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用質(zhì)量控制法進(jìn)行了單因子影響實(shí)驗(yàn),分別探討pH和吸附劑粒徑對(duì)銅離子去除率的影響,得出結(jié)論:油菜花秸稈制備的活性炭對(duì)銅離子的吸附去除率在酸性范圍內(nèi)隨pH增加而增大,且吸附最佳pH為4～6.;吸附劑粒徑對(duì)銅離子的去除影響較小,且在一定范圍內(nèi),去除率隨粒徑的增大先增大后減小,最適粒徑在1.0mm附近。

參考文獻(xiàn)

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