改性花生殼吸附廢水中Cu2+的研究

胡文云，趙楠

(武漢輕工大學 化學與環(huán)境工程學院, 湖北 武漢 430023)

改性花生殼吸附廢水中Cu2+的研究

胡文云，趙楠

(武漢輕工大學 化學與環(huán)境工程學院, 湖北 武漢 430023)

本研究以花生殼為原料，經(jīng)檸檬酸處理后制備成改性花生殼，探究其對廢水中重金屬Cu2+的吸附規(guī)律。經(jīng)納米粒度儀測定得到花生殼比表面積是0.51 m2/g，平均徑為5.64 μm。通過SEM對樣品形貌進行觀察，發(fā)現(xiàn)樣品的外表面粗糙，含有豐富的不同尺寸和形狀的多孔結(jié)構(gòu)，有利于銅離子的吸附。通過改性花生殼對含銅廢水的一系列吸附試驗，可得改性花生殼對銅的吸附量大，吸附等溫線服從弗雷德里希吸附等溫式，且單因素試驗結(jié)果依次是：投加量為0.5 g時去除率為98%，反應時間1 h去除率為93%，pH>5去除率達到90%以上，銅離子初始濃度為10 mg/L去除率達到98%。根據(jù)單因素影響顯著的三個因素，設(shè)計了正交試驗，其結(jié)果如下：影響從小到大為銅離子初始濃度、pH、改性花生殼的投加量。其最佳水平組合為：pH值為6，改性花生殼的投加量為0.8 g，銅離子初始濃度為10 mg/L。

花生殼；檸檬酸；銅離子；吸附等溫線；正交實驗

1 引言

近些年來隨著銅礦冶煉、金屬加工、機器制造、有機合成、電子工業(yè)及其它工業(yè)的發(fā)展，含銅廢水的排放成為環(huán)境污染的來源。重金屬銅對水生生物毒性很大，在水中銅的濃度為0.5 ppm時，能將35～100%原生淡水植物毒死[1-9]。目前,國外逐漸重視利用廉價的農(nóng)副產(chǎn)品來制備吸附劑從而清除工業(yè)廢水中重金屬?；ㄉ鷼さ膩碓簇S富且廉價, 其在廢水處理方面的報道比較零散, 將花生殼用物理或化學法處理后再處理含有毒有害重金屬離子的廢水的研究則更少[10-17]。筆者以花生殼為原料, 經(jīng)處理后制備成改性花生殼, 探究其對廢水中重金屬Cu2+的吸附規(guī)律。

2 材料與方法

2.1 實驗試劑與主要設(shè)備

硫酸銅(分析純A.R)；氫氧化鈉(分析純A.R)；硝酸(ρ=1.4 g/mL)(分析純A.R)；檸檬酸(分析純A.R)；硫酸(分析純A.R)

HS30恒溫水浴搖床(武漢市中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責任公司)；DHG—9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精密實驗設(shè)備有限公司)；80—2離心沉淀器(江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠)；SHZ—D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵(鞏義市予華儀器有限責任公司)；TAS—990原子吸收分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)；BT-90 納米激光粒度分布儀(丹東市百特儀器有限公司)；Starter 2C 實驗室pH計(奧豪斯儀器(上海)有限公司)；HY一2 調(diào)速多用振蕩器(國華電器有限公司)。

2.2 實驗材料

市售花生，剝殼后收集以備試驗所用。將收集的花生殼放在100℃干燥箱中4—6 h，方便破碎。經(jīng)粉碎、過篩(取100目),再干燥,得到的花生殼粉末儲備待用。

3 結(jié)果與討論

3.1 粒度測定

將制備好的花生殼粉末進行激光粒度分布測定，結(jié)果如圖1所示。

圖1 花生殼粉末粒度分布

從測定表中可得到比表面積是0.51 m2/g,平均徑為5.64 μm。

3.2 花生殼粉末SEM表征

將制備好的花生殼粉末進行SEM測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 改性花生殼SEM圖

從SEM照片可看到，樣品的外表面粗糙，含有豐富的不同尺寸和形狀的多孔結(jié)構(gòu)，花生殼的紋理比較雜亂，也可看到有大量的皺褶結(jié)構(gòu)，這對于吸附銅離子有優(yōu)勢。

3.3 吸附實驗

3.3.1 投加量對去除率的影響

銅離子初始濃度10 mg/L，廢水量為100 mL，20 ℃恒溫振蕩1 h。改變檸檬酸改性花生殼的投加量，測定銅離子濃度,計算銅離子的去除率，作去除率隨投加量的變化曲線，如圖3所示。

圖3 投加量對去除率的影響

由圖3可知，吸附率隨改性花生殼的用量的增加而較快增加，當其用量為0.5 g時，改性花生殼的去除率就可達到97%，此后去除率不再明顯上升，這是因為花生殼用量為0.5 g時，廢水中的銅離子就基本被吸附，雖然增加用量，但是去除率也沒有明顯的變化，所以選擇0.5 g為最優(yōu)投加量。

3.3.2 初始濃度對去除率的影響

初始濃度10 mg/L、測定條件為銅離子初始濃度5 mg/L、10 mg/L、25 mg/L、35 mg/L、50 mg/L、 65 mg/L、85 mg/L、100 mg/L，廢水量為100 mL，置于搖床中，在20 ℃條件下振蕩1h，轉(zhuǎn)速為120 r/min。測定銅離子濃度,計算銅離子的去除率，作去除率隨時間的變化曲線。如圖4所示。

圖4 初始濃度對去除率的影響

在室溫下吸附1 h，去除率在10 mg/L時高達98%，改性花生殼吸附廢水中的銅離子，隨初始濃度的增大，吸附量增加到初始濃度為10 mg/L時最大后就基本出現(xiàn)下滑趨勢，銅離子的去除率不再增加反而減少，如圖所示。所以10 mg/L為最佳初始濃度。

3.3.3 pH值對去除率的影響

銅離子初始濃度10 mg/L，廢水量為100 mL，活性炭投加量為0.5 g，20 ℃恒溫振蕩1 h，用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液的pH值，測定銅離子濃度,計算銅離子的去除率，作去除率隨pH值的變化曲線。

圖5 pH對去除率的影響

如圖5所示，介質(zhì)的pH值對吸附效率有很大的影響。在酸性條件下，去除率不大；當pH>5時，去除率則可達到90%以上。在pH值較低的情況下,吸附基團與H+有很大的親合性，阻止了Cu2+的靠近，導致吸附率較低，隨著pH值的增大，H+的濃度降低，吸附基的解離程度增強，減少了競爭效應，使檸檬酸改性花生殼對Cu2+的吸附率增大。檸檬酸改性花生殼對Cu2+的吸附與溶液的pH值密切相關(guān)，pH值在5以上時，對Cu2+的吸附率最大，因此試驗銅溶液的較佳pH值在5或者以上。

3.3.4 溫度對去除率的影響

銅離子初始濃度10 mg/L，廢水量為100 mL，活性炭投加量為0.5 g，20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃四個條件下恒溫振蕩1 h，測定其銅離子濃度，計算銅離子的去除率，作去除率隨時間的變化曲線。

圖6 溫度對去除率的影響

由圖6上的趨勢大致可得，溫度在室溫時，去除率已達到90%以上，對吸附效果影響并不大。大致的主要原因就是溫度變化區(qū)間內(nèi)，對整個溶液的酸堿性影響相對不是很大，在其他條件不變時，進而不會有太大的變化，所以取原水溫度即可，不需要調(diào)節(jié)溫度。

3.3.5 吸附時間對去除率的影響

銅離子初始濃度10 mg/L，廢水量為100 mL，活性炭投加量為0.5 g，20 ℃恒溫振蕩時間為20 min、40 min、50 min、60 min、80 min、100 min。測定其銅離子濃度,計算銅離子的去除率，作去除率隨時間的變化曲線。如圖7所示。

圖7 反應時間對去除率的影響

當反應時間為40 min，已達到很高的去除率92.5%，雖然50 min有所下降，但是并不明顯，在60 min時有所上升，所以取60 min作為最終的較好反應時間，減少偶然因素造成的偏差。

3.3.6 吸附平衡等溫試驗

銅離子初始濃度5 mg/L、10 mg/L、25 mg/L、35 mg/L、50 mg/L、65 mg/L、85 mg/L、100 mg/L，廢水量為100 mL，置于搖床中，在20 ℃條件下振蕩1 h，轉(zhuǎn)速為120 r/min。實驗結(jié)果如表1所示：

表1 吸附平衡等溫線試驗結(jié)果

C0(mg/L)Ce(mg/L)V/mLm/gqe/(μg/g)lgCelgqe531000．54000．4772．602100．251000．519500．53．290256．61000．536800．8193．565357．91000．554200．8973．7345014．51000．571001．1613．8516515．751000．598501．1973．9938517．851000．5134301．2514．128100601000．580001．7783．903

Freundlich方程如下:lgqe=lgk+(1/n)lgCe式中:Ce為平衡濃度(mg/L)；q為平衡吸附量(mg/g)；k為Freundhch常數(shù)；1/n為吸附指數(shù)， K可近似看作與吸附劑吸附容量有關(guān)的參數(shù),大小為545,n是與吸附分子與吸附劑表面作用強度有關(guān)的參數(shù), n大小為1.1266,n總是大于1的數(shù)值,k和1/n值可由直線方程的斜率和截距算出,試驗數(shù)據(jù)較好的擬合了Freundlich方程。

3.4 正交試驗

分別以銅離子初始濃度、pH、檸檬酸改性花生殼的投加量三個影響較大的因素設(shè)計正交試驗。如表2、表3所示。

由以上正交試驗可知，改性花生殼處理含銅廢水的最佳水平組合為：pH值為6，改性花生殼的投加量為0.8 g，銅離子的初始濃度為10 mg/L。

根據(jù)極差R的大小可知，受影響的由主到次的順序為：投加量、pH值、初始濃度。從以上的五個單因素的研究中，可以明顯的觀察出，投加量、pH值、初始濃度三個因素影響較大。并且從趨勢圖也可以看出，整個變化很明顯，通過正交試驗，可得到較好的組合。

4 結(jié)論

通過試驗，本文得出以下結(jié)論：

(1)花生殼孔徑分布窄，比表面積是0.51 m2/g,平均徑為5.64 μm。其比表面積大，有利于銅離子等污物的吸附。從SEM照片可看到，兩種樣品的外表面粗糙，含有豐富的不同尺寸和形狀的多孔結(jié)構(gòu)。處理后多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)為銅離子的吸附提供了新的足夠的空間。

表2 正交因素水平表

投加量/g(A)初始濃度/(mg/L)(B)pH值(C)10．2(A1)5(B1)4(C1)20．5(A2)10(B2)5(C2)30．8(A3)25(B3)6(C3)

表3 正交試驗直觀分析計算表

試驗號ABC去除率/%111175．6212275．5313376421286．9522387．8623187．4731394．9832194．5933294．3K1227．1257．4257．5K2262．1257．8256．7K3283．7257．7258．7k175．785．885．83k287．3685．9385．56k394．5685．986．23極差R56．60．42因素主次ACB優(yōu)方案A3B2C3

(2)單因素分析中，得到的較好結(jié)果依次是：投加量為0.5 g，反應時間1 h，pH>5銅離子初始濃度為10 mg/L，反應溫度取室溫即可。

(3)正交試驗中，所得到的結(jié)果：影響從小到大以此為銅離子初始濃度、pH、檸檬酸改性花生殼的投加量。改性花生殼處理含銅廢水的最佳水平組合為：pH值為6，改性花生殼的投加量為0.8 g，銅離子初始濃度為10 mg/L。

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Studies on the adsorption of Cu2+in waste water by modified peanut shell

HU Wen-yun,ZHAO Nan

(School of Chemical and Environmental Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

This study explores the law of the Cu2+adsorption heavy metals in wastewater with peanut shell as raw material after citric acid treatment preparation into modified peanut shell, Determination results of nano particle sizer peanut shells specific surface area is 0.51 m2/g and the average diameter is 5.64 μm. Through the SEM of the sample appearance observation, it is found that the outer surface of the two kinds of sample is crude. They are rich in different size and shape of porous structure, which is conducive to the adsorption of copper ion. Through a series of modified peanut shell of copper wastewater adsorption experiments, it can be found modified peanut shell of copper adsorption quantity is large. The adsorption isotherm follows freundlich adsorption isotherm, and single factor test results are in turn: dosing quantity is 0.5 g removal rate is 98%, when the response time of 1 h is 93%, the removal rate of pH > 5 removal rate reaches more than 90%, initial concentration of copper ion removal rate reaches 98% for 10 mg/L. According to three factors single factor influencing significantly, the design of orthogonal test, the results are as follows: influence grew up as the initial concentration of cupric ions, pH, dosing quantity of modified peanut shell. The best combination is: pH value is 6, modified peanut shell dosing quantity is 0.8 g, and initial concentration of cupric ions to 10 mg/L.

peanut shells；citric acid；Copper；adsorption；adsorption isotherm；orthogonal test

2016-10-12.

胡文云(1970-)，女，副教授，E-mail: 295003728@qq.com

2095-7386(2016)04-0047-05

10.3969/j.issn.2095-7386.2016.04.009

X 703

A