鐵/鈦改性活性炭催化劑吸附污水中鉛性能的研究

焦義湄，周海濤，姜 翠，張家鑫，賈佩龍，王 芳

（濱州學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，山東 濱州 256600）

環(huán)保與三廢利用

鐵/鈦改性活性炭催化劑吸附污水中鉛性能的研究

焦義湄，周海濤，姜 翠，張家鑫，賈佩龍，王 芳

（濱州學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，山東 濱州 256600）

采用浸漬法制備了鐵﹑鈦和鐵/鈦混合改性活性炭催化劑，并研究了改性前后活性炭吸附污水中鉛的性能。結(jié)果表明，鐵鈦改性活性炭均能在一定程度上提高活性炭吸附鉛的性能，其中鐵鈦混合改性的效果最好。對吸附溫度﹑吸附時(shí)間﹑焙燒時(shí)間﹑焙燒溫度﹑投加量﹑催化劑的負(fù)載比以及污水中鉛的初始濃度﹑pH值對鐵/鈦混合改性活性炭催化劑吸附鉛性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，鉛吸附效果最佳時(shí)的各因素值分別為：鉛的初始濃度為20mg·L-1﹑吸附溫度為20℃﹑吸附時(shí)間為25min﹑pH值為6。

活性炭；鐵/鈦；改性；鉛

隨著近幾年來機(jī)械﹑鑄造﹑電鍛﹑農(nóng)藥﹑染料﹑印刷等相關(guān)行業(yè)的飛速發(fā)展，含鉛廢液的任意排放導(dǎo)致了嚴(yán)重的鉛污染，已經(jīng)危及到人類生命健康安全及日常生活環(huán)境，是目前環(huán)境治理不容忽視的一部分[1-2]。因此，有效地控制和降低污水中鉛的含量，是現(xiàn)代污水處理技術(shù)中的一項(xiàng)重要的課題，價(jià)廉﹑環(huán)保﹑適用范圍廣﹑實(shí)用性強(qiáng)的除鉛技術(shù)是當(dāng)前廢水除鉛的研究重點(diǎn)。

鉛廢水處理技術(shù)方法很多，吸附法具有投資小﹑污染少﹑高效﹑快速的優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)境友好型處理含鉛廢水的方法。主要吸附劑有活性炭[3]﹑活化沸石[4]和分子篩[5-6]等，其中活性炭的表現(xiàn)優(yōu)異，成為國內(nèi)外用于吸附的主要研究對象。但是，活性炭直接應(yīng)用于處理廢水，吸附效果并不理想，易脫附，重復(fù)利用率低。為了提高活性炭的吸附能力和吸附容量，需要對其進(jìn)行一定程度的改性。由于不同基團(tuán)和結(jié)構(gòu)對不同物質(zhì)的吸附性能影響很大，因此，可以適當(dāng)有效地調(diào)整活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，采用一些手段對表面基團(tuán)進(jìn)行合理的改性，有利于提高活性炭吸附性能的高效性﹑特殊性﹑專一性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 改性活性炭的制備

黑色粒狀的活性炭用10%的硝酸活化24h，然后用蒸餾水沖洗至中性，在105℃真空干燥箱中干燥至恒重。分別稱取適量已活化的活性炭3份，并向其中分別加入氯化鐵溶液﹑四氯化鈦溶液，以及兩者等比混合加入。搖勻靜置24h，再轉(zhuǎn)移到烘箱中，在90℃下干燥12h，烘干后把樣品轉(zhuǎn)移到坩堝中并在馬弗爐中300℃下焙燒3h，備用。

1.2 鉛吸附性能測試

稱取一定質(zhì)量的改性活性炭和未改性的活性炭，取適量模擬含鉛廢液，調(diào)節(jié)pH，在搖床上吸附一定時(shí)間后，用濾紙過濾，待測。用TAS-986型原子吸收分光光度計(jì)在最大波長（283.3nm）處測試溶液的吸光度。由吸光度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出稀釋后的濃度，求出吸附后的濃度。原溶液的鉛濃度已知，用公式(1)計(jì)算鉛的去除率W：

式中：W為鉛去除率，%；C0為水樣中原鉛濃度，mg·L-1；C為吸附后剩余鉛濃度，mg·L-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同活性炭吸附鉛性能比較

鐵/鈦改性活性炭去除鉛的效果比未改性的粉末活性炭提高了28.91%，鐵改性活性炭比未改性的活性炭去除率提高了16.77%，鈦改性活性炭比未改性的活性炭去除率提高了6.95%。鐵/鈦改性活性炭效果最好，其次是鐵改性活性炭，再者是鈦改性活性炭，最后是未改性活性炭。

2.2 鉛初始濃度的影響

圖1是鉛初始濃度對鉛吸附量的影響。由圖1可見，當(dāng)廢水中鉛濃度增大時(shí)，未改性的活性炭與改性活性炭的吸附容量都逐漸增大，當(dāng)鉛的初始濃度增加到30mg·L-1時(shí)，未改性的活性炭接近飽和吸附了，改性活性炭在鉛濃度為50mg·L-1時(shí)才接近飽和吸附。改性后的活性炭從原來的飽和吸附量1.8173mg·g-1提升到3.206mg·g-1，吸附容量提升了76.42%，說明改性提高了活性炭對鉛初始濃度的適應(yīng)范圍。

圖1 鉛初始濃度對鉛吸附量的影響

2.3 吸附時(shí)間的影響

圖2 吸附時(shí)間對鉛去除率的影響

圖2為吸附時(shí)間對鉛去除率的影響。改性活性炭在吸附時(shí)間為25min時(shí)效果達(dá)到最好，未改性的活性炭在40min時(shí)達(dá)到最好效果，可見改性的活性炭要比未改性的活性炭要好?；钚蕴繉︺U的吸附可分為兩個(gè)反應(yīng)階段：開始的快速階段和隨后的緩慢（動(dòng)態(tài)平衡）階段[7-8]。開始吸附時(shí)，活性炭表面與溶液中鉛的濃度差最大，內(nèi)部遷移動(dòng)力大，但隨著吸附的進(jìn)行，濃度差減小動(dòng)力減小，吸附位也變少，所以吸附過程變慢直至動(dòng)態(tài)平衡，達(dá)到最大吸附，這就是隨著吸附時(shí)間的增長最終吸附效果幾乎不變的原因。

2.4 pH對鉛去除效果的影響

pH值對鉛去除效果的影響如圖3所示。未改性活性炭溶液在pH為8～14時(shí)吸附率在85%左右，但在酸性條件下活性很差，改性活性炭溶液在pH為4～10時(shí)吸附效果最好在90%左右。這說明在pH為4～10之間改性活性炭的吸附效果好，主要與催化劑在此pH下的理化性質(zhì)和鉛在水中的存在形態(tài)有關(guān)系。改性后的活性炭主要以化學(xué)吸附為主，酸性條件適合鐵/鈦改性活性炭吸附水中的鉛，未改性的活性炭在堿性條件下好，主要是因?yàn)槲锤男缘幕钚蕴恐饕揽课锢砦剑以趬A性條件下活性炭纖維發(fā)生溶脹，在其表面形成比較大的溶脹區(qū)域，更有利于對廢水中鉛的吸附。

圖3 pH值對鉛去除率的影響

2.5 吸附溫度的影響

圖4為吸附溫度對鉛去除率的影響，無論活性炭催化劑是否改性，鉛的去除率均隨吸附溫度的增加而減小。鐵/鈦改性活性炭的鉛去除率比未改性的活性炭好，雖然都是減小的趨勢，但溫度對改性后的活性炭影響明顯，對未改性的活性炭影響較小，是波動(dòng)式減小。由圖4可以得出，未改性的活性炭主要是物理吸附，改性后的活性炭以化學(xué)吸附為主物理吸附為輔，受溫度影響較大，從20℃到80℃吸附率降低了31.76%。高溫雖然提高了活性炭的吸附速率，但是它破壞了最關(guān)鍵的化學(xué)鍵，導(dǎo)致高溫不利于鐵/鈦改性活性炭吸附鉛，所以在高溫條件下活性炭的吸附效果很差。

圖4 吸附溫度對鉛去除率的影響

3 結(jié)論

采用浸漬法制備了鐵改性活性炭﹑鈦改性活性炭以及鐵/鈦復(fù)合改性活性炭催化劑，并測定了其在不同條件下的鉛吸附性能。結(jié)果表明，鐵/鈦復(fù)合改性活性炭催化劑的鉛去除效果最好。該改性活性炭在鉛的初始濃度為20mg·L-1﹑吸附溫度為20℃﹑吸附時(shí)間為25min﹑pH值為6﹑焙燒溫度為300℃時(shí)，對鉛的吸附效果最佳。

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Study on Performance of Lead Adsorption from Sewage Water on Iron/ Titanium Modified Activated Carbon Catalyst

JIAO Yimei, ZHOU Haitao, JIANG Cui, ZHANG Jiaxin, JIA Peilong, WANG Fang
(College of Chemistry and Chemical Engineering, Binzhou University, Binzhou 256600, China)

A series of transition metal (Ti, Fe, Fe/Ti) modifed activated carbon catalysts were prepared by impregnation method, their adsorption performance of lead were measured in this paper. Results showed that the performance of modifed activated carbon could be enhanced in a certain extent by the mixing of iron and titanium, and the mixing of iron and titanium-activated carbon was the best modifed element. The effect of adsorption temperature, calcination time, adsorption time, pH of the solution, the dosage of modifed activated carbon catalyst, initial concentration of the lead, and the loading ratio of the mixing iron and titanium were investigate. The experimental results showed that the optimal value of various infuencing factors was summarized as followed: the loading ratio was 3%, calcination time was 3.0h, adsorption temperature was 20℃, adsorption time was 25min, the dosage of modifed activated carbon catalyst was 0.50g, pH value was 6, and calcination temperature was 300℃. The experimental results could provide some technical basis for the study of modifed active carbon catalyst adsorption of lead.

activated carbon; iron/ titanium; modifed; lead

X 703

A

1671-9905(2017)04-0039-03

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2014BL014）；山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目（J14LC54）；濱州市科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014ZC0212），國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610449035）；濱州學(xué)院基金項(xiàng)目（BZXYHZ20161010）

2017-02-23