改性生物吸附材料對廢水中Cr6+的吸附性能研究

齊丹+王玉杰

摘 要：為使農林廢棄物得到有效利用，減少資源浪費和環(huán)境污染，用酸溶液對木屑進行改性，研究改性前后對廢水中Cr6+的吸附性能和吸附機理。研究結果表明：改性木屑的吸附性能明顯優(yōu)于未改性木屑。改性木屑最佳吸附平衡時間為1.5 h，且在pH小于4以下的酸性環(huán)境下表現(xiàn)出較強的吸附能力，對低濃度的含鉻廢水吸附效果更明顯，吸附效果隨著吸附劑投加量的增加先增高后逐漸達到平衡。通過吸附機理研究得出：木屑吸附動力學與Langmuir吸附等溫模型相吻合。

關鍵詞：改性 木屑 吸附 吸附性能

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0080-04

農林廢棄物指農業(yè)和林業(yè)生產與加工過程中產生的副產品和廢棄物[1]。作為生物質材料，廉價易得的農林廢棄物主要成分為纖維素、半纖維素和木質素，還含有少量粗蛋白、脂肪、單寧、生物堿、甾醇等[2-3]。這些物質中含有大量醇-OH、酚-OH、醚-O-、-NH2-、醛-CHO和酮-CO等極性基團，有助于吸附廢水中的重金屬離子[4]。尤其是在對它們改性處理后，對重金屬廢水的去除率更是明顯提高[5-6]。我國對于農林廢棄物的處理絕大部分是直接焚燒或填埋，只有小部分用于能源化、飼料、肥料和材料化應用中，對資源造成了浪費、對環(huán)境造成了污染。該實驗研究改性木屑對廢水中六價鉻的去除效果，分析吸附劑投加量、pH值、吸附時間、鉻離子初始濃度對吸附效果的影響，并對吸附機理進行研究。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

杉木木屑。

1.2 主要儀器設備

UV-2550型紫外可見分光光度計（島津企業(yè)管理有限公司）；FA2204B型電子天平（上海精科天美儀器廠）；JJ-4型六聯(lián)同步電動攪拌器（金壇市中央儀器廠）；TDL-80-2B型高速臺式離心機（金壇市盛藍儀器廠）；DEF-OB型真空干燥箱（金壇市盛藍儀器廠）；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長城科工貿公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 預處理

木屑除掉可見雜質，用一定濃度的NaOH溶液除色，并除掉上層浮渣。然后水洗至中性，抽濾，105 ℃干燥、冷卻后粉碎過100目篩，備用。

1.3.2 改性

將經過預處理的木屑用10%的磷酸溶液加熱煮沸，靜置浸泡3 h后，用純水洗至中性，于110 ℃干燥箱中干燥，取出冷卻后過100目篩，即得到試驗所需的改性木屑。

1.3.3 六價鉻波長的掃描

50 mL具塞比色管中加入0.2 mL鉻標準使用液，用純水稀釋到刻度，加入（1+1）硫酸和（1+1）磷酸各0.5 mL，搖勻，再加入2 mL顯色劑，搖勻。10 min后，用紫外可見分光光度計掃描，確定顯色波長。

1.3.4 六價鉻的標準曲線繪制

方法同1.3.3，分別取鉻標準使用液0 mL、0.20 mL、0.50 mL、1.00 mL、2.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL和10.00 mL進行顯色反應，用紫外可見分光光度計于542 nm處掃描，繪制標準曲線。

1.3.5 單因素實驗的設計

設定吸附時間、pH、吸附劑投加量、廢水初始濃度4個單因素，每個單因素5個水平，考察不同吸附條件對鉻離子去除率的影響。

（1） 取100 mL、100 mg/L模擬廢水，分別投加改性和未改性吸附劑1 g，原水pH下，攪拌0.5 h，靜置吸附時間設為0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h，離心分離，掃描計算去除率。

（2） 配置模擬廢水濃度分別為50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L，各取100 mL，分別投加改性和未改性吸附劑1 g，原水pH下，攪拌0.5 h，靜置吸附1 h，離心分離，掃描計算去除率。

（3） 取100 mL、100 mg/L模擬廢水，分別投加改性和未改性吸附劑0.5 g、1 g、1.5 g、2 g、2.5 g，原水pH下，攪拌0.5 h，靜置吸附1 h，離心分離，掃描計算去除率。

（4） 取100 mL、100 mg/L模擬廢水，分別投加改性和未改性吸附劑1 g，pH分別調至2、4、6、8、10，攪拌0.5 h，靜置吸附1 h，離心分離。再將離心上清液pH調至中性，掃描計算去除率。

1.3.6 吸附等溫線擬合

室溫條件下，稱取各1 g木屑和改性木屑，分別投加到體積為100 mL，濃度分別為50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L的模擬廢水中，攪拌0.5 h，靜置吸附1.5 h，待所有溶液吸附達到平衡后，測定廢水中剩余Cr6+濃度，分別做Langmuir式和Freundlich線性擬合。

2 結果與分析

2.1 Cr6+的光譜掃描

按1.3.3中試驗方法掃描Cr6+的紫外可見吸收光譜，見圖1。結果表明，在542 nm處有最大吸收峰，因此確定樣品溶液吸光度波長為542 nm。

2.2 Cr6+標準曲線

按1.3.4中試驗方法掃描繪制Cr6+標準曲線，見圖2。

2.3 單因素實驗結果及分析

2.3.1 靜置吸附時間對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（1）中試驗方法，研究不同靜置吸附時間對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結果見圖3。

由圖3可知：改性木屑在處理含Cr6+廢水中的吸附性能明顯優(yōu)于未改性木屑。靜置吸附時間對未改性木屑吸附能力的影響不是特別明顯，只有小幅度地增加；而對改性木屑吸附能力影響較大，隨著靜置吸附時間的增加去除率明顯升高，在1.5 h處，幾乎達到吸附平衡。

2.3.2 廢水初始濃度對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（2）中試驗方法，研究不同Cr6+初始濃度對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結果見圖4。

由圖4可知：廢水初始濃度對木屑和改性木屑處理含Cr6+廢水影響較大，隨著污水中Cr6+初始濃度的增加兩種吸附劑的去除率直線下降，改性木屑的吸附性能稍優(yōu)于未改性吸附劑，因此改性木屑在低濃度含鉻廢水中吸附性能較好。

2.3.3 吸附劑投加量對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（3）中試驗方法，研究不同投加量對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結果見圖5。

由圖5可知：吸附劑投加量對木屑處理廢水影響較為明顯，且改性木屑吸附性能明顯優(yōu)于未改性木屑。改性木屑和未改性木屑均在投加1 g時表現(xiàn)出去除率不再明顯升高的現(xiàn)象，且最高的去除率也只能達到25%左右，Cr6+未完全去除。根據(jù)現(xiàn)象，分析原因為在處理后期，當投加木屑較多時，由于木屑粒徑太小，容易導致木屑結塊在一起，影響吸附的進行。

2.3.4 pH值對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（4）試驗方法，研究不同pH對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結果見圖6。

由圖6可知：pH對木屑和改性木屑吸附Cr6+廢水影響較大，均表現(xiàn)出在酸性條件下的處理效果優(yōu)于堿性條件；改性木屑吸附性能明顯優(yōu)于未改性木屑。

2.4 吸附等溫線繪制及擬合

按1.3.6中試驗方法，根據(jù)反應前后重金屬溶液的濃度差、反應體積、吸附劑用量計算出吸附劑的平衡吸附量，根據(jù)實驗結果繪制等溫吸附線，結果見圖7。

木屑吸附廢水中Cr6+的Langmuir和Freundlich等溫吸附擬合曲線如圖8和圖9所示。

表1和表2分別計算并列出木屑吸附廢水中Cr6+的Langmuir和Freundlich等溫吸附擬合的相關參數(shù)。

由表1和表2可知，木屑吸附廢水中Cr6+的吸附模型基本屬于Langmuir吸附模型。相較于Freundlich吸附模型，Langmuir吸附模型的相關性較好，所以，木屑吸附廢水中Cr6+屬于Langmuir吸附，屬于單分子層吸附。

3 結論

該試驗通過用木屑和改性木屑作為新型生物吸附劑，對K2Cr2O7模擬工業(yè)廢水中Cr6+進行吸附，得出以下結論。

（1）改性木屑作為新型生物吸附劑對重金屬鉻的吸附性能明顯優(yōu)于未改性木屑。

（2）對于木屑及改性木屑，平衡的吸附時間為在靜置吸附1.5 h時，在低濃度廢水中吸附效果明顯優(yōu)于高濃度廢水中吸附的效果；當吸附劑投加量達到一定質量時，去除率不再明顯上升；在酸性條件下吸附效果明顯優(yōu)于堿性條件下。

（3）在繪制吸附等溫線的試驗中，發(fā)現(xiàn)木屑及其改性均較符合Langmuir吸附模型。

4 結語

通過實驗研究可知，木屑可以作為對重金屬廢水處理的新型生物吸附劑進行開發(fā)研究。同時，以林農廢棄物作為原料，不僅減少了農林生產過程中產生的廢棄物，減少了對資源的浪費和環(huán)境的污染，還有利于經濟與環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。

參考文獻

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