生物活性炭對水溶液中銅、鋅離子吸附效果的測定與分析

萬　山

(衡陽縣環(huán)境保護監(jiān)測站，湖南 衡陽 421200)

?

生物活性炭對水溶液中銅、鋅離子吸附效果的測定與分析

萬山

(衡陽縣環(huán)境保護監(jiān)測站，湖南 衡陽 421200)

采用原子吸收分光光度計，測定了水溶液中Cu(II)、Zn(II)被香蒲活性炭吸附后的含量，并對測定結果進行分析。香蒲活性炭對水溶液中Cu(II)、Zn(II)的吸附能力與溶液起始pH值、Cu(II)、Zn(II)的初始濃度以及吸附時間成正比；溶液起始pH值為6～8時，香蒲活性炭對Cu(II)、Zn(II)的單位質量吸附量相對較高。隨著活性炭投加量的增加，Cu(II)、Zn(II)的去除率增加，但單位質量吸附量降低，最大平衡單位質量吸附量分別為49.45和25.82 mg/g。結果表明，香蒲活性炭是一種較好的吸附材料，對Cu(II)的單位質量吸附量高于Zn(II)；實際應用中可在pH值為6～8的范圍內設計運行pH值，使得Cu(II)、Zn(II)去除的同時廢水pH值也達標排放。

原子吸收分光光度法；銅鋅；香蒲活性炭；吸附；分析

原子吸收分光光度法是測定水樣中重金屬離子，比如Cu(II)、Zn(II)的常用方法[1]。采礦、油漆、汽車制造、金屬電鍍和制革廠等工業(yè)活動和農業(yè)生產活動中化肥和殺蟲劑的大量應用是水體重金屬污染的主要來源。Cu(II)、Zn(II)是維持生物體生長的必需微量營養(yǎng)元素，然而當Cu(II)、Zn(II)濃度較高時就會危及生物體健康及環(huán)境安全。吸附是一種有效去除重金屬的方式，其中活性炭因具有高孔隙度、大比表面積、表面化學的可變性以及高的表面活性而被認為是一種有效的吸附劑[2]。由于傳統(tǒng)的活性炭都是以成本較高的木材和煤炭為原材料，其應用和推廣受到限制，故人們開始尋求廉價的原材料來降低活性炭的制作成本，從市政及工業(yè)活動廢料到農田廢棄物都有相關研究報道[3]。

本實驗采用原子吸收分光光度計，測定了香蒲質活性炭吸附水溶液中Cu(II)、Zn(II)濾液中Cu(II)、Zn(II)的含量，并對測定結果進行分析，旨在為重金屬離子的吸附去除提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗方法

1.1.1溶液起始pH值對吸附效果影響的測定

移取50 mL配制好的50 mg/L Cu(NO)2、Zn(NO)2混合溶液置于若干個250 mL碘量瓶中，分別加入0.1 g 香蒲活性炭，調節(jié)其pH值為2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0于25 ℃恒溫振蕩1 h。過濾后采用原子吸收分光光度計(Z-2000，日立公司)測定定量濾紙過濾后濾液的Cu(II)、Zn(II)濃度，計算單位質量吸附量。

1.1.2吸附時間對吸附效果影響的測定

分別移取50 mL配制好的50，100，150 mg/L Cu(NO)2、Zn(NO)2混合溶液置于250 mL碘量瓶中，分別加入0.1 g香蒲活性炭, 于20℃恒溫振蕩2，4，6，8，10，15，20，25，30，40，60，90，120 min，定量濾紙過濾。采用原子吸收分光光度計(Z-2000，日立公司)測定濾液的Cu(II)、Zn(II)濃度，計算單位質量吸附量。

1.1.3溶液中銅鋅初始濃度對吸附效果影響的測定

移取50 mL濃度分別為 10，20，40，60，80，100，120，150，200 mg/L的Cu(NO)2、Zn(NO)2混合溶液置于250 mL碘量瓶中，分別加入0.1 g 香蒲活性炭，于15、25、35 ℃恒溫振蕩1 h，定量濾紙過濾。采用原子吸收分光光度計(Z-2000，日立公司)測定濾液的Cu(II)、Zn(II)濃度，計算單位質量吸附量。

1.1.4活性炭用量對吸附效果影響的測定

移取50 mL配制好的50 mg/L Cu(NO)2溶液置于250 mL碘量瓶中，分別加入0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1，1.5，2 g 香蒲活性炭，于25 ℃恒溫振蕩1 h。過濾后采用原子吸收分光光度計(Z-2000，日立公司)測定濾液的Cu(II)、Zn(II)濃度，計算單位質量吸附量和去除率。

1.2數(shù)據(jù)分析方法

1)單位質量吸附量的計算。

單位質量吸附量qt，即每克吸附劑吸附的金屬離子量(mg/g)，計算公式如下：

其中，C0為溶液中金屬離子的初始濃度(mg/L)；Ct為某一時刻溶液中金屬離子濃度(mg/L)；m為溶液中活性炭投加量(g)；V為溶液體積(L)。

2)去除率R%計算公式如下：

2　結果與討論

2.1溶液起始pH值對吸附效果的影響

活性炭表面含具有活性的含氧官能團，主要有-CHO、-OH、-COOH、-C=O,它們是活性炭吸附的活性位點。pH值作為重要的介質因素，不僅影響吸附點位的吸附、解析和化學水解過程，而且影響溶液中重金屬離子在溶液中的氧化還原反應、水解和沉淀。pH值對銅、鋅離子去除率的影響如圖1所示。由圖1可知，pH值對活性炭去除Cu(II)、Zn(II)的影響比較明顯，總的來說，Cu(II)、Zn(II)去除率都隨著pH值升高而增大。在pH值小于4時，H+與Cu(II)、Zn(II)競爭吸附位點，抑制活性炭表面吸附Cu(II)、Zn(II)，因而去除率相對較低。pH值在4～6之間時去除率有微小的上升趨勢，香蒲活性炭表面羧基、羥基和磷酸基等活性基團是活性炭的活性位點，由于這些活性位點是有限的，當這些活性位點被Cu(II)、Zn(II)占據(jù)后，溶液中其他離子就無法再被吸附。當pH>6時，隨著溶液pH值的增加及溶液中OH-濃度的增加，Cu(II)、Zn(II)開始形成Cu(OH)2和Zn(OH)2沉淀，因而Cu(II)、Zn(II)去除率增加；當pH值為7時，水溶液中Cu(II)、Zn(II)去除率分別達到98.16%和82.32%；當pH值大于7時，溶液中銅離子濃度較小，香蒲活性炭對Cu(II)的吸附接近飽和，因而去除率沒有明顯變化，而Zn(II)去除率繼續(xù)增加。本研究表明，香蒲活性炭對Cu(II)的去除率高于Zn(II)，這一結果與Monser和Adhoum[4]研究的改性活性炭的研究結果相一致，究其原因可能是Cu(II)的離子半徑小于Zn(II)[5]。為了吸附平衡時得到較好的去除效果，同時防止Cu(II)、Zn(II)在水溶液中產生沉淀，本試驗選用pH值為6作為后續(xù)試驗的條件。

圖1　pH值對銅、鋅離子去除率的影響

2.2吸附時間與銅、鋅起始濃度對吸附效果的影響

吸附時間對銅、鋅離子吸附效果的影響如圖2所示，由圖2可知，香蒲活性炭對溶液中銅、鋅離子的吸附都比較迅速，僅僅2min時間吸附就接近平衡，隨后單位質量吸附量緩慢增加直至達到平衡吸附時間，大約到10min左右，香蒲活性炭對Cu(II)、Zn(II)的吸附都達到平衡，隨后不再增加。活性炭對金屬離子的吸附是一個循序漸進的過程，因而需要一定的時間達到吸附平衡[6]。本試驗在如此短時間內達到吸附平衡可能與香蒲活性炭特殊的表面結構和官能團如磷酸基、羧基有關。香蒲活性炭對溶液中Cu(II)、Zn(II)的單位質量吸附量隨著銅、鋅離子初始濃度的增加而增大，當初始濃度從50mg/L增加到100mg/L時，Cu(II)、Zn(II)的單位質量吸附量分別從19.19和14.28mg/g增加到49.45和25.82mg/g。本試驗雖然只需要10min就能達到吸附平衡，但是為使平衡更加充分，以下試驗選用60min作為吸附時間。

圖2　吸附時間對吸附銅、鋅離子的影響

2.3活性炭用量對吸附效果的影響

香蒲活性炭用量對Cu(II)、Zn(II)去除率和單位質量吸附量的影響見圖3。由圖3可知，隨著香蒲活性炭用量的增加，水溶液中Cu(II)、Zn(II)去除率逐漸增加而單位質量吸附量下降。當香蒲活性炭用量由0.02g增加到0.2g時，水溶液中Cu(II)、Zn(II)去除率顯著增加，分別從21.33和43.43%增加到89.36和80.99%，當香蒲活性炭用量達到2g時，Cu(II)、Zn(II)去除率分別達到96.95%和92.36%(見圖3中實線)。另一方面，當香蒲活性炭用量從0.02到0.2g時，活性炭對Cu(II)、Zn(II)的單位質量吸附量分別從26.67和43.43mg/g減少到1.21和1.15mg/g。香蒲活性炭用量增加，提供了更多的表面積和表面活性基團，因而吸附劑上吸附的Cu(II)、Zn(II)總量增加，水溶液中Cu(II)、Zn(II)濃度下降，去除率增加。水溶液中Cu(II)、Zn(II)總量是一定的，因而隨著香蒲活性炭用量增加，活性炭單位質量吸附量逐漸減小。

圖3　香蒲活性炭用量對吸附銅、鋅離子的影響

3　結論

香蒲活性炭對Cu(II)、Zn(II)的吸附研究結果表明：Cu(II)、Zn(II)的單位質量吸附量隨溶液起始pH值、重金屬初始濃度的增加而增加，但隨活性炭投加量的增加而降低；吸附平衡時間約為10min，達到吸附平衡時Cu(II)的單位質量吸附量較高于Zn(II)。在此基礎上，有必要對活性炭的吸附動力學、熱力學、等溫吸附作進一步研究。

[1]張淑琴,童仕唐.活性炭對重金屬離子鉛鋅銅的吸附研究[J].環(huán)境科學與管理,2008,33(4):91-93.

[2]張利波.煙桿基活性炭的制備及吸附處理重金屬廢水的研究[D].昆明:昆明理工大學,2007.

[3]RaoMM,RameshA,RaoGPC,etal.RemovalofcopperandcadmiumfromtheaqueoussolutionsbyactivatedcarbonderivedfromCeibapentandrahulls[J].JournalofHazardousMaterials,2006,129(1-3):123-129.

[4]MonserL,AdhoumN.Modifiedactivatedcarbonfortheremovalofcopper,zinc,hromiumandcyanidefromwastewater[J].Separation&PurificationTechnology,2002,26(26):137-146.

[5]LiY,YueQY,GaoBY.AdsorptionkineticsanddesorptionofCu(II)andZn(II)fromaqueoussolutionontohumicacid[J].JournalofHazardousMaterials,2010,178(1-3):455-461.

[6]OzdesD,GundogduA,KemerB,etal.RemovalofPb(II)ionsfromaqueoussolutionbyawastemudfromcoppermineindustry:equilibrium,kineticandthermodynamicstudy[J].JournalofHazardousMaterials,2009,166(2-3):1480-1487.

(責任編輯高嵩)

Removal Analysis of Cu(II) and Zn(II) in Solution by Bio-activated Carbon

Wan Shan

(Environmental Protection Monitoring Station of Hengyang,Hengyang Hunan 421200)

In this study,Atom Absorption Spectrometry was used to analyze the concentrations of Cu(II) and Zn(II) after adsorption by Cattail-based activated carbon in solutions.The sorption removal of Cu(II) and Zn(II) by activated carbon increased with the initial pH,the concentrations of Cu(II) and Zn(II),and the dosage of activated carbon in the solutions;there were higher sorption capacities for both metal ions in the pH range from 6 to 8.While the addition of activated carbon increased the removal efficiencies of Cu(II) and Zn(II);however, it decreased the adsorption capacities of Cu(II) and Zn(II).The maximum adsorption capacity for Cu(II) and Zn(II) was 49.45 and 25.82 mg/g,respectively.The results indicatd that cattail-based activated carbon was a good adsorption material,and had a higher adsorption capacity for Cu(II) than that of Zn(II);pH of 6 to 8 of solution could be chosen for practical design of adsorption system to ensure that the discharge pH meets the effluent standard while Cu(II) and Zn(II) removal.

atom adsorption spectrometry;Cu(II) and Zn(II);cattail-based activated carbon;adsorption;analysis

2016-04-28

萬山，工程師，大專。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.04.005

X53

A

2095-4565(2016)04-0017-04