塊狀花生殼吸附Cd(Ⅱ)和Pb (Ⅱ)的特性研究

雷 娟, 易筱筠,任曉莉

(1.太原工業(yè)學院 環(huán)境與安全工程系,山西 太原 030008; 2.華南理工大學 環(huán)境與能源學院,廣東 廣州 510006)

塊狀花生殼吸附Cd(Ⅱ)和Pb (Ⅱ)的特性研究

雷 娟1, 易筱筠2,任曉莉1

(1.太原工業(yè)學院 環(huán)境與安全工程系,山西 太原 030008; 2.華南理工大學 環(huán)境與能源學院,廣東 廣州 510006)

研究塊狀花生殼對Cd2+和Pb2+的吸附特性．考察吸附劑投加量、溶液初始pH、吸附時間和溶液初始濃度等對吸附的影響,在此基礎上擬合分析吸附動力學和吸附等溫線．結果表明:吸附36 h達到平衡,塊狀花生殼對Cd2+和Pb2+的吸附均符合準二級動力學模型和Langmuir吸附等溫線模型．在25 ℃,Cd2+和Pb2+的初始濃度為100 mg/L時,塊狀花生殼對二者的吸附量分別可達到10.47 mg/g和17.37 mg/g．

塊狀花生殼;Cd2+;Pb2+;吸附

近年來,隨著工業(yè)的發(fā)展,水體重金屬污染日益嚴重,對其治理技術的研究也成為熱點被人們所關注．在反滲透、離子交換、化學沉淀法、膜處理等眾多治理方法中[1],吸附法,尤其是以花生殼等各種農林廢棄物為對象進行吸附研究的處理技術,因原材料廉價易得,且能制備出吸附性能良好的改性吸附劑,使得該方法的研究受到很多學者的青睞．然而很多研究都是圍繞著對花生殼改性、提高其對重金屬的吸附能力進行的,Zeid A. ALOthman·M. Naushad[2]研究了以花生殼為原料,用H3PO4活化制得的活性炭對Cr (VI)的吸附特性;Xu Tao[3]等研究了花生殼活性炭對Pb2+的吸附特性及機理;李山等[4]HNO3改性花生殼對Pb2+的吸附性能;呂慧峰等[5]研究了酸性甲醛改性對花生殼吸附重金屬離子的影響．

在前期的研究中,本課題組制備出了對Cd2+和Pb2+表現出較好吸附性能的高錳酸鉀改性花生殼,并對改性樣品的吸附性能進行了系統研究[6],但由于一系列原因,對塊狀花生殼原樣的相應研究并沒有進行．在本文的研究中,將考察一些常見的影響因素對塊狀花生殼原樣吸附水體中Cd2+和Pb2+的影響,在此基礎上擬合分析相應的吸附動力學和等溫線模型,對塊狀花生殼吸附重金屬的特性進行系統研究,為以花生殼等農林廢棄物為基質進行的重金屬吸研究提供一定的理論依據．

1 材料和方法

1.1 材料準備及試劑

塊狀花生殼:先用自來水沖洗花生殼,去除其表面的灰塵和其他雜質,再用蒸餾水清洗數遍,在烘箱中烘干(溫度設置在60 ℃左右),最后用剪刀剪成1 cm2左右的塊狀花生殼,密封保存?zhèn)溆茫?/p>

實驗中Cd2+和Pb2+的儲備液分別由分析純的氯化鎘和硝酸鉛粉末配制,其他藥品如:NaOH，HCl，HNO3等也均為分析純試劑．

1.2 吸附實驗

稱取適量的塊狀花生殼于三角瓶中,按對應的固液比加入一定量的適當濃度的Cd2+和Pb2+的溶液,用錫箔紙封住三角瓶,將其放入溫度為25 ℃、轉速為150 r·min-1的搖床中,36 h后(由預實驗確定吸附平衡時間)取上清液,用原子吸收分光光度儀測定溶液中殘留的重金屬離子的量[6],每組均進行三個平行實驗．pH用稀鹽酸或氫氧化鈉來調節(jié)．

塊狀花生殼對Cd2+和Pb2+的吸附效果用吸附容量qe來表示．按如下公式進行計算:

(1)

其中,qe(mg/g)是平衡時的吸附容量;C0(mg/L)是溶液中重金屬離子的初始濃度;Ce(mg/L)是平衡時溶液中重金屬離子的濃度;V(ml)是重金屬離子溶液的體積;m(g)是塊狀花生殼的質量．

2 結果與討論

2.1 吸附劑投加量對吸附的影響

圖1(a)和1(b)分別展示了塊狀花生殼投加量的變化對其吸附Cd2+和Pb2+的影響,如兩個圖所示,增加塊狀花生殼投加量,其對Cd2+和Pb2+的去除率逐漸升高,單位吸附劑對Cd2+和Pb2+的吸附量卻隨著投加量的增加明顯降低．綜合考慮吸附效果和吸附劑利用率,選取對Cd2+和Pb2+的最佳吸附劑投加量為2g/L．

圖1 吸附受花生殼投加量的影響:(a) Cd2+, (b) Pb2+

2.2 溶液初始pH對吸附的影響

圖2給出的是不同溶液初始pH對Cd2+和Pb2+吸附的影響,可以看出,pH由2～7逐漸升高的過程中,塊狀花生殼對Cd2+吸附量不斷升高,值由2～5逐漸升高的過程中吸附量增加很快,pH值5～7的條件下吸附量略有增加,變化不是十分明顯;pH由2～3升高的過程中,塊狀花生殼對Pb2+吸附量明顯升高,之后隨著pH值由3～6的升高吸附量的增加趨勢變緩,pH值由6～7的條件下,吸附量略有下降．

這可能是因為在pH值較低的條件下,溶液中存在較多的H+,會與Cd2+和Pb2+競爭吸附劑上的吸附位點．而隨著pH值的升高,H+濃度相對Cd2+和Pb2+濃度降低,使得Cd2+和Pb2+可以占據更多的吸附位點,使其吸附量增加．正如相關研究表明,離子的吸附高度依賴該離子在溶液中的濃度,濃度越高,被吸附就越好,反之亦然[7]．

圖2 吸附受溶液初始pH的影響:(a) Cd2+, (b) Pb2+

2.3 吸附時間對吸附的影響

由圖3(a) Cd2+和(b) Pb2+可以看出,塊狀花生殼對Cd2+和Pb2+的吸附量隨時間的變化趨勢大體相同,前10 h中,吸附量隨著時間的增長明顯上升,10 h后吸附量隨時間的增長上升趨勢逐漸變緩,直到36 h吸附達到平衡,所以所有吸附實驗的平衡時間均取36 h．

圖3 吸附受吸附時間的影響:(a) Cd2+, (b) Pb2+

2.4 吸附動力學

在研究吸附受吸附時間影響的基礎上,分別選用兩種最常見的動力學模型(準一級動力學和準二級動力學模型)擬合分析相應數據,使得花生殼對Cd2+和Pb2+的吸附動力學特性得到了進一步研究．

準一級動力學的線性方程式可表示如下[8]:

(2)

其中,qt(mg/g)是在時間t時的吸附容量;qe(mg/g)是吸附達到平衡時的吸附容量;k1(1/min)是準一級動力學常數．

準二級動力學的線性方程式可表示如下[8]:

(3)

其中,qt(mg/g)是在時間t時的吸附容量;qe(mg/g)是吸附達到平衡時的吸附容量;k2(g·mg-1·min-1)是準二級動力學速率常數．

由圖4的準二級動力學模型擬合圖及表1的兩種動力學模型擬合參數可知,與準一級動力學模型擬合結果相比,塊狀花生殼對Cd2+和Pb2+的吸附動力學根據準二級動力學模型計算得到的Qe值與實驗實測值較為接近,且R2較高,表明塊狀花生殼吸附Cd2+和Pb2+到達平衡的過程更符合準二級動力學模型．

圖4 準二級動力學模型擬合曲線:(a)Cd2+, (b)Pb2+

表1 2種吸附動力學模型的擬合參數

2.5 溶液初始濃度對吸附的影響

本實驗研究了15 ℃,25 ℃和35 ℃三個條件下，塊狀花生殼吸附Cd2+和Pb2+受兩種重金屬離子初始濃度的影響,由圖5(a) Cd2+和(b) Pb2+的實驗結果可以看出,在一定的濃度范圍內,初始離子濃度的增大,花生殼對Cd2+和Pb2+的吸附量隨之增大,而初始濃度分別達到Cd2+100 mg/L和Pb2+75 mg/L后,隨Cd2+和Pb2+初始濃度的增大,花生殼對兩種重金屬離子的吸附量出現下降趨勢,該趨勢在Pb2+的吸附過程中表現更為明顯．

該現象說明花生殼對Cd2+和Pb2+的吸附機理可能存在靜電吸附,出現這種趨勢的原因可歸結為:當Cd2+和Pb2+的濃度高達一定值時,重金屬離子間的靜電斥力增大,也可能是因為產生了較大的空間阻力所致[6]．為了方便后續(xù)機理研究,并使實驗結果易于對比,實驗過程統一取Cd2+和Pb2+的初始濃度為100 mg/L．

圖5 溶液初始濃度對吸附的影響:(a) Cd2+, (b) Pb2+

2.6 吸附等溫線

在研究吸附受重金屬離子初始濃度影響的基礎上,分別選用兩種最常見的吸附等溫線模型(Langmuir和Freundlich模型)擬合分析相應實驗數據,研究了在15 ℃,25 ℃和35 ℃三個條件下,花生殼對Cd2+和Pb2+的吸附等溫線特性．

Langmuir吸附等溫線模型線性表達式為[9]:

(4)

其中:qe(mg·g-1)是平衡吸附容量;Ce(mg·L-1)是平衡濃度;Q(mg·g-1)是理論最大吸附容量;

b(L·mg-1)是Langmuir吸附系數(是與吸附能有關的常數)．

Freundlich吸附等溫線模型其線性表達式為[10]:

(5)

其中:qe(mg·g-1)是平衡吸附容量;Ce(mg·L-1)是平衡濃度;kF表示塊狀花生殼的單位吸附能力;1/n是塊狀花生殼吸附強度的表示,1/n為 0.1～0.5時說明吸附容易進行;當 1/n>2 時表示吸附很難進行,n值越大吸附劑的吸附性能越好．

由圖5(a1)～(b2)及表2的兩種吸附等溫線模型擬合參數可知, Langmuir模型擬合中計算出的吸附平衡容量與實驗值更為接近,說明其對花生殼吸附Cd2+和Pb2+過程的擬合效果要比Freundlich模型更好,這表明單分子層吸附是花生殼對Cd2+和Pb2+吸附的主要表現,兩種吸附過程為均勻的表面吸附,即花生殼表面的每個吸附位點僅與一個Cd2+或Pb2+離子反應,吸附在花生殼表面的重金屬離子之間不存在相互影響[11]．且Cd2+吸附擬合在3個溫度條件下的RL值均在0～1之間,表明花生殼對Cd2+的吸附為優(yōu)惠吸附,即花生殼對Cd2+的吸附容量在重金屬離子濃度較低時,保持在較高水平[10]．對于Cd2+和Pb2+在實驗溫度范圍內1/n均在0～1之間,表明在實驗條件下吸附比較容易進行[9]．

圖6 吸附等溫線及其模型擬合曲線:(a1)、(a2) Cd2+, (b1)、(b2) Pb2+

表2 2種吸附等溫線模型的擬合參數

3 結論

1)在25 ℃，Cd2+和Pb2+的初始濃度為100 mg/L時,塊狀花生殼對二者的吸附量分別可達到10.47 mg/g和17.37 mg/g．

2)塊狀花生殼對Cd2+和Pb2+的吸附平衡時間為36 h,吸附達到平衡的過程更符合準二級動力學模型;吸附等溫線與Langmuir吸附等溫線模型較為吻合,表明單分子層吸附是花生殼對Cd2+和Pb2+吸附的主要方式,兩種吸附過程為均勻的表面吸附,即花生殼表面的每個吸附位點僅與一個Cd2+或Pb2+離子反應,吸附在花生殼表面的重金屬離子之間不存在相互影響．

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Studies on the Adsorption Characteristic of Cd (Ⅱ) and Pb (Ⅱ) on Blocky Peanut Shell

Lei Juan1, Yi Xiaoyun2, Ren Xiaoli1

(1.Department of Environmental and Safety Engineering, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008;2. School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Influence of adsorbent quantity,initial solution pH,adsorption time and the initial concentration of solution on adsorption were investigated to infer the adsorption characters of Cd2+and Pb2+on peanut shell. Furthermore, the adsorption kinetic and isothermal curve were fitted.The results indicated that the adsorption reached equilibrium after 36 h. The adsorption kinetic and isothermal datas of Cd2+and Pb2+both well fittedpseudo-second-order kinetic model and the Langmuir isotherm adsorption model respectively.When the initial concentration of adsorbate solution was about 100 mg/L,the adsorption capacity of the peanut shell to Cd2+and Pb2+were10.47mg/g and 17.37 mg/g under the condition at 25 ℃ respectively.

blocky peanut shell;Cd2+;Pb2+;adsorption

2014-11-27

國家自然科學基金面上項目(41073088); 國家水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07211001).

雷 娟(1987-),女,碩士,太原工業(yè)學院助教,主要從事水體污染處理研究.

1672-2027(2015)01-0092-05

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