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    木屑活性炭吸附去除水中重金屬離子的研究

    2014-07-16 03:37:35黃宏霞等
    江蘇農(nóng)業(yè)科學 2014年3期
    關(guān)鍵詞:木屑活性炭

    黃宏霞等

    摘要:以木屑為原料、磷酸為活化劑、硼酸為催化劑制備生物活性炭,并對所制備的木屑活性炭進行吸附重金屬離子Pb2+和Cu2+的研究。結(jié)果表明,生產(chǎn)活性炭的最佳工藝條件為磷屑比1 ∶ 1、硼酸添加量3%、活化溫度400 ℃、活化時間60 min,此時亞甲基藍吸附值為227.6 mg/g。吸附試驗結(jié)果表明,接觸時間為90 min時即可達到吸附平衡。吸附動力學數(shù)據(jù)能很好地與準二級動力學模型擬合(R2>0.999)。而與Langmuir模型相比,等溫吸附過程與Friendlich模型擬合得更好,木屑活性炭對Pb2+和Cu2+的理論最大吸附量分別為9 497、14 225 mg/kg。

    關(guān)鍵詞:木屑;活性炭;化學改性;Pb2+;Cu2+;吸附等溫線

    中圖分類號:X52 文獻標志碼:A 文章編號:1002-1302(2014)03-0306-03

    隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展,冶煉、電解、醫(yī)藥、油漆、合金、電鍍、紡織印染、造紙、陶瓷與無機顏料制造等行業(yè)每年排放大量含有多種重金屬離子的工業(yè)廢水。具有高毒性、難生物降解的重金屬對環(huán)境安全帶來嚴重的威脅,正逐步成為全球關(guān)注的問題。2010年,我國各大江河湖庫均受到不同程度的重金屬污染,遼河、黃河、西南諸河和長江等水系共有40個斷面出現(xiàn)重金屬超標現(xiàn)象[1]。這些水體中的重金屬離子及其化合物能在魚類及其他水生生物體內(nèi)富集,通過飲水和食物鏈的生物積累、生物濃縮、生物放大等作用,對人類和周圍的生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害[2]。因此,目前重金屬成為了最受矚目的一類環(huán)境污染物,減少重金屬危害一直是國內(nèi)外工業(yè)界與環(huán)保部門的重點研究課題。

    針對水體中重金屬污染治理最根本的解決途徑除了從產(chǎn)生源頭上應用清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟思路對重金屬的使用和排放進行限制外,因傳統(tǒng)的化學、物理法處理成本高、效果不穩(wěn)定[3-4],還應積極探討新的重金屬污染治理手段,如研究和發(fā)展新型天然吸附劑、重金屬捕集劑和生物技術(shù)對重金屬污染的治理,充分發(fā)揮它們成本低的優(yōu)勢,同時加強多種治理技術(shù)的聯(lián)合應用,從而尋找出治理重金屬污染的有效途徑[5]。生物活性炭吸附法作為一種效率高、成本低的治理重金屬污染的有效途徑,越來越多地引起了人們的重視[6]。本研究以廉價易得的木屑為原料,對其進行化學改性,探討改性后的生物活性炭對水中重金屬離子Pb2+和Cu2+的吸附去除效果。

    1 材料與方法

    1.1 試劑與儀器

    硝酸鉛和五水硫酸銅(分析純,國藥集團化學試劑有限公司),其他試劑均為市售分析純。KTC 100C空氣恒溫搖床(上海?,攲嶒炘O(shè)備有限公司),721可見光分光光度計(上海元析儀器有限公司),TAS-986原子吸收分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司),SX-4-16箱式節(jié)能電阻爐(湖北英山國營實驗設(shè)備廠)。

    1.2 木屑活性炭的制備

    原料木屑取自廢棄木材,經(jīng)除灰、清洗后于105 ℃下烘干,破碎至1~2 mm顆粒待用。稱取一定量的木屑,以不同質(zhì)量的木屑與濃度為50%的磷酸按不同的比例混合均勻,同時添加一定量的硼酸進行催化,在80 ℃下置于烘箱中浸漬 3 h,放入大小合適的坩堝中,置于馬弗爐中于一定的溫度下活化60 min?;罨Y(jié)束后,用蒸餾水反復洗滌至pH中性,烘干備用。生物活性炭的制備流程見圖1。

    以亞甲基藍吸附值為衡量指標,以磷酸和木屑的質(zhì)量比(磷屑比)、硼酸的添加量(質(zhì)量分數(shù))、活化溫度為影響因素,分別選取3個水平進行試驗。根據(jù)L9(33)正交表設(shè)計的試驗方案(表1),測定不同條件下制備活性炭的亞甲基藍的吸附值,并據(jù)此用極差分析法分析正交試驗的結(jié)果。以亞甲基藍吸附值作為參考時的最佳工藝組合為A1B3C2,即磷酸和木屑的質(zhì)量比為1 ∶ 1,硼酸添加量為3%,活化溫度為400 ℃。參照傳統(tǒng)的磷酸法活化工藝[7]試驗結(jié)果,生產(chǎn)同樣品質(zhì)的活性炭產(chǎn)品,采用硼酸催化活化工藝,所需的溫度從500 ℃降至 400 ℃,磷屑比由3 ∶ 1降到1 ∶ 1,這對降低生產(chǎn)能耗和設(shè)備投資具有重要意義。

    根據(jù)最佳工藝組合制備生物活性炭,測得其亞甲基藍吸附值為227.6 mg/g。該結(jié)果遠大于蘆春梅制備的秸稈活性炭的亞甲基藍吸附值(75.6 mg/g)[8],表明該法制備的活性炭孔隙相對較大,性能更好。

    3 結(jié)論

    采用磷酸活化硼酸催化的方法對木屑進行化學改性,并開展了改性后的生物活性炭對Pb2+和Cu2+的平衡吸附試驗,結(jié)果表明,木屑活性炭對溶液中Pb2+和Cu2+的吸附分為先快后慢2個階段。吸附40 min后,木屑活性炭對Cu2+的去除率可達到90%以上,對Pb的去除率能達到80%以上?;钚蕴繉b2+和Cu2+的平衡吸附數(shù)據(jù)用Frendlich方程來擬合效果更好,R2可達到0.99以上?;钚蕴繉b2+和Cu2+的理論最大吸附量分別為9 497、14 225 mg/kg。

    參考文獻:

    [1]中華人民共和國環(huán)境保護部.2006—2010中國環(huán)境質(zhì)量報告[M]. 北京:中國環(huán)境科學出版社,2011.

    [2]朱惠剛. 重金屬對人體的危害[J]. 電鍍與環(huán)保,1982,4(4):9-13.

    [3]王 琳,施永生,毛 云. 離子交換法去除水中硒的研究[J]. 有色金屬設(shè)計,2005,32(1):53-57.

    [4]寶 迪,張樹芳,王永軍. 天然沸石處理含鉛、鎘廢水的試驗研究[J]. 內(nèi)蒙古石油化工,2003,29(2):5-7.

    [5]孫 康,蔣劍春. 國內(nèi)外活性炭的研究進展及發(fā)展趨勢[J]. 林產(chǎn)化學與工業(yè),2009,29(6):98-104.

    [6]高尚愚,左宋林,周建斌,等. 幾種活性炭的常規(guī)性質(zhì)及孔隙性質(zhì)的研究[J]. 林產(chǎn)化學與工業(yè),1999,19(1):17-22.

    [7]張會平,葉李藝,楊立春. 磷酸活化法制備木質(zhì)活性炭研究[J]. 林產(chǎn)化學與工業(yè),2004,24(4):49-52.

    [8]蘆春梅. 秸稈活性炭的制備及在印染廢水中的應用研究[D]. 吉林:吉林大學,2005.

    [9]王明華,胡玉才,李中玲,等. 活性炭纖維對Cu2+的吸附性能的研究[J]. 化學工程師,2012(6):63-66.

    [10]Gao P,F(xiàn)eng Y J,Zhang Z H,et al. Kinetic and thermodynamic studies of phenolic compounds adsorption on river sediment[J]. Soil Sediment Contamination,2012,21:625-639.

    [11]Qiu T,Zeng Y,Ye C S,et al. Adsorption thermodynamics and kinetics of p-xylene on activated carbon[J]. J Chem Eng Data,2012,57(5):1551-1556.

    [12]賀志麗. 鋯改性凹凸棒石及鋯/鋁/鈰體系復合除氟材料的制備及其除氟性能研究[D]. 武漢:武漢理工大學,2012.

    [13]Langmuir I. The constitution and fundamental properties of solids and liquids[J]. J Amer Chem Soc,1916,38(11):2221-2295.

    [14]Rose E P,Rajam S. Equilibrium study of the adsorption of iron(Ⅱ)ions from aqueous solution on carbons from wild jack and jambul[J]. Adv Appl Sci Res,2012,3(3):1889-1897.endprint

    摘要:以木屑為原料、磷酸為活化劑、硼酸為催化劑制備生物活性炭,并對所制備的木屑活性炭進行吸附重金屬離子Pb2+和Cu2+的研究。結(jié)果表明,生產(chǎn)活性炭的最佳工藝條件為磷屑比1 ∶ 1、硼酸添加量3%、活化溫度400 ℃、活化時間60 min,此時亞甲基藍吸附值為227.6 mg/g。吸附試驗結(jié)果表明,接觸時間為90 min時即可達到吸附平衡。吸附動力學數(shù)據(jù)能很好地與準二級動力學模型擬合(R2>0.999)。而與Langmuir模型相比,等溫吸附過程與Friendlich模型擬合得更好,木屑活性炭對Pb2+和Cu2+的理論最大吸附量分別為9 497、14 225 mg/kg。

    關(guān)鍵詞:木屑;活性炭;化學改性;Pb2+;Cu2+;吸附等溫線

    中圖分類號:X52 文獻標志碼:A 文章編號:1002-1302(2014)03-0306-03

    隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展,冶煉、電解、醫(yī)藥、油漆、合金、電鍍、紡織印染、造紙、陶瓷與無機顏料制造等行業(yè)每年排放大量含有多種重金屬離子的工業(yè)廢水。具有高毒性、難生物降解的重金屬對環(huán)境安全帶來嚴重的威脅,正逐步成為全球關(guān)注的問題。2010年,我國各大江河湖庫均受到不同程度的重金屬污染,遼河、黃河、西南諸河和長江等水系共有40個斷面出現(xiàn)重金屬超標現(xiàn)象[1]。這些水體中的重金屬離子及其化合物能在魚類及其他水生生物體內(nèi)富集,通過飲水和食物鏈的生物積累、生物濃縮、生物放大等作用,對人類和周圍的生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害[2]。因此,目前重金屬成為了最受矚目的一類環(huán)境污染物,減少重金屬危害一直是國內(nèi)外工業(yè)界與環(huán)保部門的重點研究課題。

    針對水體中重金屬污染治理最根本的解決途徑除了從產(chǎn)生源頭上應用清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟思路對重金屬的使用和排放進行限制外,因傳統(tǒng)的化學、物理法處理成本高、效果不穩(wěn)定[3-4],還應積極探討新的重金屬污染治理手段,如研究和發(fā)展新型天然吸附劑、重金屬捕集劑和生物技術(shù)對重金屬污染的治理,充分發(fā)揮它們成本低的優(yōu)勢,同時加強多種治理技術(shù)的聯(lián)合應用,從而尋找出治理重金屬污染的有效途徑[5]。生物活性炭吸附法作為一種效率高、成本低的治理重金屬污染的有效途徑,越來越多地引起了人們的重視[6]。本研究以廉價易得的木屑為原料,對其進行化學改性,探討改性后的生物活性炭對水中重金屬離子Pb2+和Cu2+的吸附去除效果。

    1 材料與方法

    1.1 試劑與儀器

    硝酸鉛和五水硫酸銅(分析純,國藥集團化學試劑有限公司),其他試劑均為市售分析純。KTC 100C空氣恒溫搖床(上海福瑪實驗設(shè)備有限公司),721可見光分光光度計(上海元析儀器有限公司),TAS-986原子吸收分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司),SX-4-16箱式節(jié)能電阻爐(湖北英山國營實驗設(shè)備廠)。

    1.2 木屑活性炭的制備

    原料木屑取自廢棄木材,經(jīng)除灰、清洗后于105 ℃下烘干,破碎至1~2 mm顆粒待用。稱取一定量的木屑,以不同質(zhì)量的木屑與濃度為50%的磷酸按不同的比例混合均勻,同時添加一定量的硼酸進行催化,在80 ℃下置于烘箱中浸漬 3 h,放入大小合適的坩堝中,置于馬弗爐中于一定的溫度下活化60 min?;罨Y(jié)束后,用蒸餾水反復洗滌至pH中性,烘干備用。生物活性炭的制備流程見圖1。

    以亞甲基藍吸附值為衡量指標,以磷酸和木屑的質(zhì)量比(磷屑比)、硼酸的添加量(質(zhì)量分數(shù))、活化溫度為影響因素,分別選取3個水平進行試驗。根據(jù)L9(33)正交表設(shè)計的試驗方案(表1),測定不同條件下制備活性炭的亞甲基藍的吸附值,并據(jù)此用極差分析法分析正交試驗的結(jié)果。以亞甲基藍吸附值作為參考時的最佳工藝組合為A1B3C2,即磷酸和木屑的質(zhì)量比為1 ∶ 1,硼酸添加量為3%,活化溫度為400 ℃。參照傳統(tǒng)的磷酸法活化工藝[7]試驗結(jié)果,生產(chǎn)同樣品質(zhì)的活性炭產(chǎn)品,采用硼酸催化活化工藝,所需的溫度從500 ℃降至 400 ℃,磷屑比由3 ∶ 1降到1 ∶ 1,這對降低生產(chǎn)能耗和設(shè)備投資具有重要意義。

    根據(jù)最佳工藝組合制備生物活性炭,測得其亞甲基藍吸附值為227.6 mg/g。該結(jié)果遠大于蘆春梅制備的秸稈活性炭的亞甲基藍吸附值(75.6 mg/g)[8],表明該法制備的活性炭孔隙相對較大,性能更好。

    3 結(jié)論

    采用磷酸活化硼酸催化的方法對木屑進行化學改性,并開展了改性后的生物活性炭對Pb2+和Cu2+的平衡吸附試驗,結(jié)果表明,木屑活性炭對溶液中Pb2+和Cu2+的吸附分為先快后慢2個階段。吸附40 min后,木屑活性炭對Cu2+的去除率可達到90%以上,對Pb的去除率能達到80%以上?;钚蕴繉b2+和Cu2+的平衡吸附數(shù)據(jù)用Frendlich方程來擬合效果更好,R2可達到0.99以上。活性炭對Pb2+和Cu2+的理論最大吸附量分別為9 497、14 225 mg/kg。

    參考文獻:

    [1]中華人民共和國環(huán)境保護部.2006—2010中國環(huán)境質(zhì)量報告[M]. 北京:中國環(huán)境科學出版社,2011.

    [2]朱惠剛. 重金屬對人體的危害[J]. 電鍍與環(huán)保,1982,4(4):9-13.

    [3]王 琳,施永生,毛 云. 離子交換法去除水中硒的研究[J]. 有色金屬設(shè)計,2005,32(1):53-57.

    [4]寶 迪,張樹芳,王永軍. 天然沸石處理含鉛、鎘廢水的試驗研究[J]. 內(nèi)蒙古石油化工,2003,29(2):5-7.

    [5]孫 康,蔣劍春. 國內(nèi)外活性炭的研究進展及發(fā)展趨勢[J]. 林產(chǎn)化學與工業(yè),2009,29(6):98-104.

    [6]高尚愚,左宋林,周建斌,等. 幾種活性炭的常規(guī)性質(zhì)及孔隙性質(zhì)的研究[J]. 林產(chǎn)化學與工業(yè),1999,19(1):17-22.

    [7]張會平,葉李藝,楊立春. 磷酸活化法制備木質(zhì)活性炭研究[J]. 林產(chǎn)化學與工業(yè),2004,24(4):49-52.

    [8]蘆春梅. 秸稈活性炭的制備及在印染廢水中的應用研究[D]. 吉林:吉林大學,2005.

    [9]王明華,胡玉才,李中玲,等. 活性炭纖維對Cu2+的吸附性能的研究[J]. 化學工程師,2012(6):63-66.

    [10]Gao P,F(xiàn)eng Y J,Zhang Z H,et al. Kinetic and thermodynamic studies of phenolic compounds adsorption on river sediment[J]. Soil Sediment Contamination,2012,21:625-639.

    [11]Qiu T,Zeng Y,Ye C S,et al. Adsorption thermodynamics and kinetics of p-xylene on activated carbon[J]. J Chem Eng Data,2012,57(5):1551-1556.

    [12]賀志麗. 鋯改性凹凸棒石及鋯/鋁/鈰體系復合除氟材料的制備及其除氟性能研究[D]. 武漢:武漢理工大學,2012.

    [13]Langmuir I. The constitution and fundamental properties of solids and liquids[J]. J Amer Chem Soc,1916,38(11):2221-2295.

    [14]Rose E P,Rajam S. Equilibrium study of the adsorption of iron(Ⅱ)ions from aqueous solution on carbons from wild jack and jambul[J]. Adv Appl Sci Res,2012,3(3):1889-1897.endprint

    摘要:以木屑為原料、磷酸為活化劑、硼酸為催化劑制備生物活性炭,并對所制備的木屑活性炭進行吸附重金屬離子Pb2+和Cu2+的研究。結(jié)果表明,生產(chǎn)活性炭的最佳工藝條件為磷屑比1 ∶ 1、硼酸添加量3%、活化溫度400 ℃、活化時間60 min,此時亞甲基藍吸附值為227.6 mg/g。吸附試驗結(jié)果表明,接觸時間為90 min時即可達到吸附平衡。吸附動力學數(shù)據(jù)能很好地與準二級動力學模型擬合(R2>0.999)。而與Langmuir模型相比,等溫吸附過程與Friendlich模型擬合得更好,木屑活性炭對Pb2+和Cu2+的理論最大吸附量分別為9 497、14 225 mg/kg。

    關(guān)鍵詞:木屑;活性炭;化學改性;Pb2+;Cu2+;吸附等溫線

    中圖分類號:X52 文獻標志碼:A 文章編號:1002-1302(2014)03-0306-03

    隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展,冶煉、電解、醫(yī)藥、油漆、合金、電鍍、紡織印染、造紙、陶瓷與無機顏料制造等行業(yè)每年排放大量含有多種重金屬離子的工業(yè)廢水。具有高毒性、難生物降解的重金屬對環(huán)境安全帶來嚴重的威脅,正逐步成為全球關(guān)注的問題。2010年,我國各大江河湖庫均受到不同程度的重金屬污染,遼河、黃河、西南諸河和長江等水系共有40個斷面出現(xiàn)重金屬超標現(xiàn)象[1]。這些水體中的重金屬離子及其化合物能在魚類及其他水生生物體內(nèi)富集,通過飲水和食物鏈的生物積累、生物濃縮、生物放大等作用,對人類和周圍的生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害[2]。因此,目前重金屬成為了最受矚目的一類環(huán)境污染物,減少重金屬危害一直是國內(nèi)外工業(yè)界與環(huán)保部門的重點研究課題。

    針對水體中重金屬污染治理最根本的解決途徑除了從產(chǎn)生源頭上應用清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟思路對重金屬的使用和排放進行限制外,因傳統(tǒng)的化學、物理法處理成本高、效果不穩(wěn)定[3-4],還應積極探討新的重金屬污染治理手段,如研究和發(fā)展新型天然吸附劑、重金屬捕集劑和生物技術(shù)對重金屬污染的治理,充分發(fā)揮它們成本低的優(yōu)勢,同時加強多種治理技術(shù)的聯(lián)合應用,從而尋找出治理重金屬污染的有效途徑[5]。生物活性炭吸附法作為一種效率高、成本低的治理重金屬污染的有效途徑,越來越多地引起了人們的重視[6]。本研究以廉價易得的木屑為原料,對其進行化學改性,探討改性后的生物活性炭對水中重金屬離子Pb2+和Cu2+的吸附去除效果。

    1 材料與方法

    1.1 試劑與儀器

    硝酸鉛和五水硫酸銅(分析純,國藥集團化學試劑有限公司),其他試劑均為市售分析純。KTC 100C空氣恒溫搖床(上海福瑪實驗設(shè)備有限公司),721可見光分光光度計(上海元析儀器有限公司),TAS-986原子吸收分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司),SX-4-16箱式節(jié)能電阻爐(湖北英山國營實驗設(shè)備廠)。

    1.2 木屑活性炭的制備

    原料木屑取自廢棄木材,經(jīng)除灰、清洗后于105 ℃下烘干,破碎至1~2 mm顆粒待用。稱取一定量的木屑,以不同質(zhì)量的木屑與濃度為50%的磷酸按不同的比例混合均勻,同時添加一定量的硼酸進行催化,在80 ℃下置于烘箱中浸漬 3 h,放入大小合適的坩堝中,置于馬弗爐中于一定的溫度下活化60 min?;罨Y(jié)束后,用蒸餾水反復洗滌至pH中性,烘干備用。生物活性炭的制備流程見圖1。

    以亞甲基藍吸附值為衡量指標,以磷酸和木屑的質(zhì)量比(磷屑比)、硼酸的添加量(質(zhì)量分數(shù))、活化溫度為影響因素,分別選取3個水平進行試驗。根據(jù)L9(33)正交表設(shè)計的試驗方案(表1),測定不同條件下制備活性炭的亞甲基藍的吸附值,并據(jù)此用極差分析法分析正交試驗的結(jié)果。以亞甲基藍吸附值作為參考時的最佳工藝組合為A1B3C2,即磷酸和木屑的質(zhì)量比為1 ∶ 1,硼酸添加量為3%,活化溫度為400 ℃。參照傳統(tǒng)的磷酸法活化工藝[7]試驗結(jié)果,生產(chǎn)同樣品質(zhì)的活性炭產(chǎn)品,采用硼酸催化活化工藝,所需的溫度從500 ℃降至 400 ℃,磷屑比由3 ∶ 1降到1 ∶ 1,這對降低生產(chǎn)能耗和設(shè)備投資具有重要意義。

    根據(jù)最佳工藝組合制備生物活性炭,測得其亞甲基藍吸附值為227.6 mg/g。該結(jié)果遠大于蘆春梅制備的秸稈活性炭的亞甲基藍吸附值(75.6 mg/g)[8],表明該法制備的活性炭孔隙相對較大,性能更好。

    3 結(jié)論

    采用磷酸活化硼酸催化的方法對木屑進行化學改性,并開展了改性后的生物活性炭對Pb2+和Cu2+的平衡吸附試驗,結(jié)果表明,木屑活性炭對溶液中Pb2+和Cu2+的吸附分為先快后慢2個階段。吸附40 min后,木屑活性炭對Cu2+的去除率可達到90%以上,對Pb的去除率能達到80%以上?;钚蕴繉b2+和Cu2+的平衡吸附數(shù)據(jù)用Frendlich方程來擬合效果更好,R2可達到0.99以上?;钚蕴繉b2+和Cu2+的理論最大吸附量分別為9 497、14 225 mg/kg。

    參考文獻:

    [1]中華人民共和國環(huán)境保護部.2006—2010中國環(huán)境質(zhì)量報告[M]. 北京:中國環(huán)境科學出版社,2011.

    [2]朱惠剛. 重金屬對人體的危害[J]. 電鍍與環(huán)保,1982,4(4):9-13.

    [3]王 琳,施永生,毛 云. 離子交換法去除水中硒的研究[J]. 有色金屬設(shè)計,2005,32(1):53-57.

    [4]寶 迪,張樹芳,王永軍. 天然沸石處理含鉛、鎘廢水的試驗研究[J]. 內(nèi)蒙古石油化工,2003,29(2):5-7.

    [5]孫 康,蔣劍春. 國內(nèi)外活性炭的研究進展及發(fā)展趨勢[J]. 林產(chǎn)化學與工業(yè),2009,29(6):98-104.

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