殼聚糖對廢水中Ni2+吸附的動(dòng)力學(xué)研究

尚秀麗 夏德強(qiáng) 索隴寧 本連芳（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060）

隨著新材料和高新技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬鎳被廣泛應(yīng)用于電鍍、催化、電池以及功能材料等領(lǐng)域[1-3]。鎳的大量使用不僅加快了鎳資源的消耗也對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，長期飲用被鎳污染的水和食物會(huì)引發(fā)鼻癌、肺癌、白血病、心肌梗塞、中風(fēng)和尿毒癥等疾病[4]。目前處理含鎳廢水的主要方法有生物法、離子交換法、化學(xué)沉淀法、吸附法、電解法及溶劑萃取法等[5]，其中吸附法以其高效率、低成本、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)。

殼聚糖(chitosan，CTS)是天然高分子甲殼素在堿性條件下水解并脫去部分乙?；笊傻难苌?，由于其分子中含有氨基（-NH2)和羥基(-OH)，幾乎可以與所有的過渡金屬離子結(jié)合，因此其在重金屬離子吸附方面的應(yīng)用研究尤為廣泛[6-8]。與傳統(tǒng)的絮凝劑相比，殼聚糖具有吸附容量大、成本低、無毒、不造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)[9]。本實(shí)驗(yàn)以殼聚糖為吸附劑，對廢水中的Ni2+進(jìn)行吸附富集，研究了殼聚糖加入量、吸附溫度、振蕩時(shí)間對Ni2+吸附率的影響，探討了殼聚糖吸附Ni2+的動(dòng)力學(xué)特征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

殼聚糖(脫乙酰度92%),鎳標(biāo)準(zhǔn)溶液(瑞士Fluka公司)，硫酸鎳，醋酸，硝酸，丁二酮肟等試劑均為分析純。

UV-1801紫外可見分光光度計(jì)，F(xiàn)A1604N型電子分析天平,PHS-3C型精密酸度計(jì),SHA-C水浴恒溫振蕩器,TDL-40臺(tái)式離心機(jī)，DZF-O真空干燥箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取一定質(zhì)量的殼聚糖置于250ml錐形瓶中，加入30mL含鎳10mg/L的廢水溶液，在一定條件下置于恒溫?fù)u床中振蕩，控制搖床的轉(zhuǎn)速為120r/min,吸附平衡后，將溶液離心分離取上清液，用紫外分光光度計(jì)分析樣品中N2+的濃度，分別用式（1）、式（2）計(jì)算吸附率和吸附量。

式中：Re為吸附率（%）；tq為t時(shí)刻的吸附量（mg/g)；C0和C分別為吸附前與吸附后溶液的質(zhì)量濃度（g/L)；V為溶液體積（L）；m為殼聚糖的質(zhì)量。

1.3 分析方法

采用丁二酮肟分光光度法測定溶液中Ni2+的質(zhì)量濃度[10]，即在氧化劑存在的堿性溶液中，鎳與丁二酮肟作用生成酒紅色的可溶絡(luò)合物，于波長465nm處測定吸光度，繪制Ni2+的質(zhì)量濃度x(mg/L)與吸光度A的標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線、測得樣液的吸光度計(jì)算溶液中Ni2+的質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖加入量對Ni2+吸附率的影響

圖1 殼聚糖用量對Ni2+吸附率的影響

分別稱取0.1g,0.15g,0.2g,0.25g,0.3g的殼聚糖于250mL的錐形瓶中，加入質(zhì)量濃度為10mg/L含Ni2+廢水30mL，于25℃、120r/min振蕩1h,將溶液離心分離，取上清液測量其吸光度計(jì)算吸附率，結(jié)果如圖1所示。從圖可以看出，殼聚糖添加量在0.1-0.25g時(shí)，其對廢液中Ni2+的吸附率迅速上升，用量超過0.25g時(shí)，吸附率增加緩慢并逐漸趨于平衡。這是因?yàn)闅ぞ厶怯昧吭黾訉?dǎo)致有效吸附集團(tuán)增多，即增加了殼聚糖與金屬離子的活性吸附位。

2.2 振蕩時(shí)間對Ni2+吸附率的影響

準(zhǔn)確稱取0.25g殼聚糖置于250mL的錐形瓶中，加入30mL含鎳離子10mg/L的廢水，于40℃下恒溫振蕩，振搖速率為120r/min，振蕩時(shí)間分別為：10、20、30、60、90、120min，測定其吸光度計(jì)算吸附率，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，在吸附前60min，殼聚糖對鎳離子的吸附率迅速上升，從27.53%上升到54.32%；60min后隨著時(shí)間的增加，對Ni2+的吸附趨于平衡，吸附率僅增加2.85%。這種現(xiàn)象可能是由于吸附開始時(shí)是一種表面吸附，吸附速率較大；當(dāng)表面吸附達(dá)到平衡后，水中Ni2+逐漸向殼聚糖內(nèi)部遷移、擴(kuò)散，這種遷移是一個(gè)相對緩慢的過程。因此，殼聚糖對鎳離子吸附的最佳時(shí)間為60min。

圖2 振蕩時(shí)間對Ni2+吸附率的影響

2.3 Ni2+的吸附動(dòng)力學(xué)

稱取0.25g殼聚糖于250mL錐形瓶中，加入質(zhì)量濃度為10mg/L的Ni2+溶液30mL，在120r/min的轉(zhuǎn)速下，分別于20、40、60℃吸附，該吸附過程可以用準(zhǔn)一級（式3）或準(zhǔn)二級（式4）動(dòng)力學(xué)模型描述[11]。

式中：tq、eq分別為t時(shí)刻N(yùn)i2+吸附量、Ni2+的平衡吸附量（mg/g);1k為準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)（min-1),2k為準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)常數(shù)。對實(shí)驗(yàn)所測得的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)分別采用準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型擬合，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 Ni2+吸附的準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)模型

圖4 Ni2+吸附的準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型

對比圖3、圖4，殼聚糖對Ni2+的吸附更加符合準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。表1中三個(gè)方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9892，進(jìn)一步說明殼聚糖對廢水中Ni2+的吸附符合準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型。吸附率和K2都隨溫度的升高而增大，表明該吸附過程為吸熱過程，溫度升高有利于Ni2+的吸附。

表1 吸附的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3 結(jié) 語

1）殼聚糖是天然高分子材料，對鎳離子具有很好的吸附能力，以殼聚糖做吸附劑處理含鎳廢水，不造成二次污染，具有良好社會(huì)效益。

2）靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)表明，最佳吸附劑用量為0.25g、吸附時(shí)間為60min，鎳離子在殼聚糖表面的吸附率隨溫度升高而增大。吸附過程符合準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型。

[1]宋艷陽,原思國,周從章. 弱酸離子交換纖維對含鎳廢水的吸附性能研究[J].功能材料，2012，43（15）：2014-2017.

[2]雷靜彬,黃富平,于青,等. 2-(N,N-二羧甲基氨甲基)氫醌金屬配合物(鈷、鎳、鋅)的合成、晶體結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性質(zhì)研究[J]. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28（03）：572-578.

[3]袁建超,梅銅簡,王學(xué)虎,等. 含溴α-二亞胺鎳( Ⅱ) 配合物的合成、表征及催化乙烯聚合反應(yīng)[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（05）：1200-1204.

[4]楊金杯,陳玉成,余美瓊,等.001×14.5 離子交換樹脂對鎳(Ⅱ)的吸附[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2013,7(08)：3019-3024.

[5]余靜,邱海浪,盧騰飛,等. 萃取凈化電鍍含鎳廢水研究[J].水處理技術(shù),2014,40（04）：43-51.

[6]胡惠媛, 朱虹. 殼聚糖及其衍生物對重金屬離子的吸附[J].化學(xué)進(jìn)展，2012，24（11）：2212-2223.

[7]Krishnapriya K R,Kandaswamy M. Synthesis and characterization of a crosslinked chitosan derivative with a complexing agent and its adsorption studies toward metal(II)ions[J].Carbohydrate Research,2009,344(13)：1632-1638.

[8]Paulino A T,Santos L B, Nozaki J. Removal of Pb2+, Cu2+, and Fe3+ from battery manufacture wasterwater by chitosan produced from sikworm chrysalides as a lowcost adsorbent[J]. Reactive and Functional Polymers,2008,68(2)：634-642.

[9]Crini G.，Badot P.M. Application of chitosan，a natural aminopolysaccharide，for dye removal from aqueous solutions by adsorption processes using batch studies： A review of recent literature.Progress in Polymer Science，2008，33(4) ： 399-447.

[10] 齊文啟,曾勝年,汪志國,等. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. 北京：中國環(huán)境出版社，2002.373-377.

[11]賈海紅,王學(xué)松,韓寶平. 殼聚糖吸附酸性品紅的平衡及動(dòng)力學(xué)研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2011, 5(08)：1800-1804.