板栗殼對(duì)廢水中Pb2+吸附性能的研究

李欣娟+薛紅琴+陸瑩+許俊

摘要：以板栗殼作為吸附劑吸附廢水中的Pb2+，實(shí)驗(yàn)研究了吸附時(shí)間、吸附劑用量、Pb2+初始濃度以及廢水pH值對(duì)吸附過程的影響;采用掃描電鏡（SEM）分析吸附劑的主要物理特性，對(duì)Pb2+吸附過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，通過等溫吸附模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合，探討了廢水中Pb2+的吸附性能。研究結(jié)果顯示：板栗殼吸附Pb2+吸附平衡時(shí)間為80min，Pb2+初始濃度為50mg/L時(shí)，吸附劑最佳投加量為3g/L，最佳pH值為6，吸附平衡時(shí)Pb2+去除率可達(dá)到94.65%;吸附過程以準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合效果最好，吸附過程符合Langmuir等溫吸附模型。

關(guān)鍵詞：板栗殼;吸附;Pb2+

中圖分類號(hào)：X52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-9944（2014）12-0137-03

1引言

重金屬鉛是一種毒性很強(qiáng)的物質(zhì)，可對(duì)人體許多器官，特別是肺臟、腎臟、生殖系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等造成不良影響[1]。傳統(tǒng)的重金屬?gòu)U水處理方法主要有化學(xué)沉淀法、電化學(xué)法、膜分離法和吸附法等。采用化學(xué)沉淀法處理，一般廢水要經(jīng)過二次處理才能排放;電化學(xué)法和膜分離法成本高，且膜分離法中膜在應(yīng)用過程中易受到污染導(dǎo)致效率降低;吸附法操作簡(jiǎn)單，且效率高，最早使用的吸附劑是活性炭，但其使用壽命短，使用成本高。近年來，農(nóng)林廢棄物作為生物吸附劑處理污水受到了廣泛的關(guān)注。已報(bào)道的研究有殼類物質(zhì) （如花生殼[2]、谷殼[3]、大豆殼[4]、松樹皮[5]等）用于重金屬吸附性能方面的研究，且都取得了比較好的去除重金屬的效果。采用農(nóng)林廢棄物作為吸附劑成本低廉，且可以達(dá)到以廢治廢的目的。本文以農(nóng)林廢棄物板栗殼為原料，經(jīng)適當(dāng)處理制備板栗殼吸附劑，研究其對(duì)廢水中Pb2+的吸附效果及吸附特性。

2材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)材料與試劑準(zhǔn)備

將板栗殼用去離子水洗凈，105℃烘干24h，粉碎機(jī)粉碎。

取分析純 Pb（NO3）2試劑，用0.2%的稀硝酸配置成500mg/L的儲(chǔ)備液備用。

2.2實(shí)驗(yàn)儀器

電子分析天平（FA2004B，上海越平科學(xué)儀器有限公司），電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（GZX-9140MBE，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠），精密酸度計(jì)（PHB-4，上海精密科學(xué)儀器有限公司），原子吸收分光光度計(jì)（AFS-990，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司），恒溫振蕩器（ZD-85，常州國(guó)華電器有限公司），掃描電鏡（Quanta 200，F(xiàn)EI公司）。

2.3吸附實(shí)驗(yàn)

取板栗殼放入250mL錐形瓶中，再加入100mL（50mg/L）Pb2+溶液，根據(jù)所依據(jù)的性能要求，改變實(shí)驗(yàn)條件，再恒溫振蕩箱150r/min振蕩至吸附平衡，取上清液經(jīng)定量濾紙和0.45μm濾膜過濾后，用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定濾液中Pb2+的濃度，并以此計(jì)算Pb2+吸附量及去除率。

3結(jié)果與討論

3.1吸附劑表征

圖1為板栗殼放大4000倍的SEM照片，可看出板栗殼表面有很多褶紋，不光滑，凹凸不平，纖維結(jié)構(gòu)明顯，有利于Pb2+的吸附。

圖1板栗殼SEM照片

3.2吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

取板栗殼放入250mL錐形瓶中，再加入100mL（50mg/L）Pb2+溶液，振蕩，每隔一段時(shí)間取樣，分析吸附時(shí)間對(duì)板栗殼吸附Pb2+的影響。結(jié)果如圖2所示，由圖中可以看出板栗殼吸附Pb2+大致可分為兩個(gè)階段：0～10min為快速吸附階段，吸附10min Pb2+的去除率可以達(dá)到90.38%;10～80min為慢速吸附階段，該階段吸附去除率為94.65%，80min時(shí)達(dá)到吸附平衡。分析原因可能是由于吸附初始階段板栗殼上的可吸附的位點(diǎn)多，因而吸附Pb2+迅速，隨后可吸附的位點(diǎn)越來越少，吸附速率緩慢直至平衡。

采用準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程以及顆粒擴(kuò)散方程進(jìn)行擬合，擬合的相關(guān)參數(shù)見表1。

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型為：

lg（Qe-Qt）=lgQe-K1t2.303（1）

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型為：

tQt=1K2Qe2+tQe（2）

顆粒擴(kuò)散模型為：

Qt=Kp×t0.5（3）

式（1）～（3）中：t為反應(yīng)時(shí)間，min;Qe為吸附達(dá)到平衡時(shí)的吸附量，mg/g;Qt為吸附在t時(shí)刻時(shí)的吸附量，mg/g;k1、k2分別為一級(jí)和二級(jí)吸附速率常數(shù)，mg/（g/min）;kp為顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)，mg/（g/min）。

由表1中的擬合結(jié)果可知用準(zhǔn)二級(jí)方程擬合的效果最好，由于準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程建立在化學(xué)吸附假設(shè)的基礎(chǔ)上，所以可以認(rèn)為板栗殼對(duì)Pb2+的吸附為化學(xué)吸附過程。

3.3吸附劑用量對(duì)吸附效果的影響

研究吸附劑用量對(duì)吸附效果的影響，吸附劑投加量分別取2～10g/L，圖3即為吸附劑用量與Pb2+去除率以及吸附量的關(guān)系圖。

圖3吸附劑用量對(duì)吸附效率的影響

由圖3可知，隨著板栗殼投加量的增加，板栗殼對(duì)Pb2+的去除率也隨之升高，當(dāng)板栗殼投加量為3g/L以后，去除率的變化不大，但吸附量降低;板栗殼投加量為3g/L時(shí)去除率為92.08%，吸附量為15.346mg/g，為了達(dá)到很好的吸附效果又充分利用吸附劑，確定3g/L為吸附劑的最佳投加量。

3.4等溫吸附線

分別配置濃度為5～150mg/L的Pb2+溶液，取0.3g板栗殼，加入100mL不同濃度的Pb2+溶液中，振蕩80min。吸附等溫線如圖4所示，由圖4可看出隨著平衡時(shí)Pb2+的濃度增加，被吸附的Pb2+也越多，吸附量增加，但當(dāng)Pb2+增加到一定濃度之后，吸附劑上的可吸附位點(diǎn)達(dá)到飽和，吸附量趨于平緩。當(dāng)初始濃度在5～50mg/L之間，去除率大于90%，初始濃度在50～150mg/L時(shí)，去除率低于90%，初始濃度為50mg/L時(shí)，Pb2+去除率為91.98%，為了達(dá)到較好的去除效果又充分利用吸附劑，確定板栗殼吸附Pb2+最佳初始濃度不超過50mg/L。endprint

圖4吸附等溫線

采用Langmuir、Freundlich以及Temkin等溫吸附模型進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2。

Langmuir等溫吸附模型可表示為：

CeQe=1bQm+CeQm ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

Freundlich等溫吸附模型可表示為：

lgQe=1n×lgCe+lgKF （5）

Temkin等溫吸附模型可表示為：

Qe=alnKT+alnCe ? ? ? ? ? （6）

式（4）～（6）中：Ce為吸附平衡時(shí)Pb2+的濃度，mg/L;Qe為平衡吸附量，mg/g;Qm為溶質(zhì)的飽和吸附量，mg/g;b為L(zhǎng)angmuir等溫吸附模型常數(shù)，與吸附熱有關(guān)，L/mg;KF、n 分別為Freundlich等溫吸附模型常數(shù);a，KT為Temkin等溫吸附模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

Langmuir等溫吸附模型是假定吸附劑表面的吸附能是均勻分布的單分子層吸附公式; Freundlich等溫吸附模型是假設(shè)吸附劑表面能是不均勻分布的，是在多層吸附理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的等溫吸附模型[6] 。由表2可以看出利用以上三種方程進(jìn)行擬合，Langmuir等溫吸附模型擬合效果最好，板栗殼對(duì)Pb2+是單層吸附，一般物理吸附發(fā)生多分子層吸附，化學(xué)吸附發(fā)生單分子層吸附，可認(rèn)為該吸附過程是化學(xué)吸附。

3.5廢水pH值對(duì)吸附效果的影響

取0.3g板栗殼，加入100mL（50mg/L）Pb2+溶液，調(diào)節(jié)廢水pH值為1～8，振蕩80min。pH值對(duì)吸附效果的影響如圖5所示。由圖5可知板栗殼對(duì)Pb2+吸附能力隨著pH值的增長(zhǎng)而增加至達(dá)到最大去除率后趨于平衡，在pH值為4～6之間，去除率都相對(duì)較高。這是由于一方面在較低的pH值環(huán)境下，H+ 濃度較高，H+與Pb2+發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附作用，H+占據(jù)吸附劑表面的活性位點(diǎn)，使得Pb2+占據(jù)位點(diǎn)的機(jī)會(huì)變少，從而使得吸附去除的效率低[6];另一方面pH值會(huì)影響植物材料表面的有機(jī)基團(tuán)的狀態(tài)，當(dāng)pH值較低時(shí)大量H+會(huì)與植物材料表面的有限位點(diǎn)結(jié)合抑制重金屬離子的吸附，增加了植物材料表面的靜電斥力;而pH值升高時(shí)會(huì)增加植物吸附材料表面的負(fù)電荷，促進(jìn)Pb2+的吸附[7]。為避免過酸性廢水的二次處理，確定最適pH值為6。

圖5pH值對(duì)吸附的影響

4結(jié)論

（1）板栗殼對(duì)廢水中Pb2+吸附的動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，吸附等溫模型符合Langmuir模型，是一個(gè)化學(xué)吸附的過程。

（2）板栗殼具有很強(qiáng)的吸附性能，對(duì)廢水中Pb2+吸附去除率能達(dá)到94.65%，最適條件為吸附時(shí)間80min，吸附劑投加量為3g/L，Pb2+初始濃度為不超過50mg/L，pH為6。

（3）雖然板栗殼對(duì)水中Pb2+吸附的平衡時(shí)間約80min，但在前10min內(nèi)，吸附的去除率就可達(dá)到90.38%，因此在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)定10min的吸附時(shí)間，可大大的節(jié)省時(shí)間，提高效率。

采用農(nóng)林廢棄物板栗殼作為污水中重金屬處理吸附劑，具有原料來源廣、成本低、不產(chǎn)生二次污染、短時(shí)間內(nèi)具有高吸附效率等優(yōu)勢(shì)。

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