pH值、離子強(qiáng)度和共存離子對(duì)活性炭吸附C（rVI）的影響*

范明霞，趙春玲

（湖北工業(yè)大學(xué) a.太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心;b.材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

pH值、離子強(qiáng)度和共存離子對(duì)活性炭吸附C（rVI）的影響*

范明霞a,b，趙春玲a,b

（湖北工業(yè)大學(xué) a.太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心;b.材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

為更好地使活性炭處理含鉻廢水，研究了pH值、離子強(qiáng)度和共存離子對(duì)活性炭吸附Cr（VI）的影響。由于Cr（VI）在水溶液中的形態(tài)分布受到pH值顯著影響，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)吸附Cr（VI）適宜的pH值為3。隨離子強(qiáng)度的增大，活性炭對(duì)Cr（VI）的吸附量減小。共存離子Cd（II）使Cr（VI）吸附量降低。

活性炭；Cr（VI）；吸附；離子強(qiáng)度；共存

近年來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題已成為人們最關(guān)注的問(wèn)題之一。隨著工業(yè)的發(fā)展，鉻污染日趨嚴(yán)重，含鉻廢水的大量排放，對(duì)土壤和水體造成嚴(yán)重污染，直接影響了人類生活。Cr（VI）在水體中具有很強(qiáng)的氧化能力和遷移能力，并且可以通過(guò)細(xì)胞膜及氧化生物分子擴(kuò)散滲入細(xì)胞內(nèi)[1]。六價(jià)鉻中毒嚴(yán)重時(shí)會(huì)使循環(huán)系統(tǒng)衰竭，失去知覺(jué)，甚至死亡[2]。除對(duì)人體外，鉻對(duì)環(huán)境亦有很大影響。當(dāng)Cr（VI）濃度大于200mg·L-1時(shí)，就可導(dǎo)致大部分水生動(dòng)植物死亡[3]。

吸附是影響環(huán)境中污染物遷移轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要過(guò)程。pH值是吸附過(guò)程的重要影響因素，吸附劑表面化學(xué)性質(zhì)和吸附質(zhì)離子形態(tài)與其密切相關(guān)[4-8]?；钚蕴课街亟饘訇?yáng)離子通常有以下兩種作用方式：非專性吸附和專性吸附。非專性吸附又叫離子交換吸附，專性吸附又叫選擇性吸附或配位吸附，研究離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響是區(qū)分非專性吸附和專性吸附作用方式的一種非常簡(jiǎn)便的手段[9-11]。此外，在重金屬?gòu)?fù)合污染體系中，重金屬離子之間的相互作用可能會(huì)影響活性炭對(duì)重金屬離子的吸附特性，導(dǎo)致與單一重金屬吸附特性不一致。

本文研究了pH值、離子強(qiáng)度和共存離子對(duì)活性炭吸附Cr（VI）的影響，以探討Cr（VI）在活性炭上的吸附過(guò)程，為活性炭用于含鉻廢水的處理提供參考數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 吸附劑

吸附劑為自制中孔活性炭，具體制備工藝參照文獻(xiàn)[12]。中孔活性炭過(guò)100目篩，用去離子水反復(fù)洗滌至pH值為7.0，在烘箱中120℃下干燥24h后放入干燥器中待用。活性炭比表面積、總孔容積、中孔容積分別為 1357m2·g-1、0.910mL·g-1和 0.704mL·g-1，活性炭零電荷點(diǎn)為7.82。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 pH值對(duì)活性炭吸附Cr（VI）的影響 取50mL質(zhì)量濃度為50mg·L-1的用重鉻酸鉀配制的Cr（VI）溶液，用0.1MH2SO4/NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值，加入0.1g活性炭，控制30℃吸附一定時(shí)間后過(guò)濾，測(cè)定濾液中Cr（VI）的質(zhì)量濃度。

1.2.2 離子強(qiáng)度對(duì)活性炭吸附Cr（VI）的影響 配制50mL質(zhì)量濃度為50mg·L-1的Cr（VI）溶液，選取硝酸鈉作為電解質(zhì)，使其濃度范圍為0～0.8mol·L-1，調(diào)節(jié)Cr（VI）溶液pH值為3，稱取0.1g活性炭，置于30℃的水浴中振蕩24h，過(guò)濾后測(cè)定濾液中Cr（VI）的質(zhì)量濃度。

1.2.3 共存離子對(duì)活性炭吸附Cr（VI）的影響 配制50mL質(zhì)量濃度為50mg·L-1的Cr（VI）溶液，選取Cd（II）作為共存離子，按與 Cr（VI）的質(zhì)量濃度比分別為 0、1、2、3、4 加入到 Cr（VI）溶液中，調(diào)節(jié)溶液pH值為3，稱取0.1g活性炭，置于30℃的水浴中振蕩24h，過(guò)濾后測(cè)定濾液中Cr（VI）的質(zhì)量濃度。

1.2.4 Cr（VI）濃度分析 Cr（VI）采用分光光度法測(cè)定，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線由吸光度得出對(duì)應(yīng)的溶液濃度[13,14]。

以上試驗(yàn)均重復(fù)3次，根據(jù)3次數(shù)據(jù)求得平均值作為最終數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對(duì)活性炭吸附Cr（VI）的影響

pH值對(duì)Cr（VI）吸附性能的影響見圖1。

圖1 pH值對(duì)吸附的影響Fig.1 Effect of pH on adsorption

由圖1可以看出，pH值對(duì)Cr（VI）吸附性能有明顯影響，pH 值越大 Cr（VI）吸附量越小。Cr（VI）在溶液中的形態(tài)受溶液pH影響明顯，因此需考慮C（rVI）的存在形態(tài)與pH的關(guān)系。

水溶液中C（rVI）主要存在形式為H2CrO4、CrO24-、HCrO-4和Cr2O27-，各種形態(tài)的分布受到pH值強(qiáng)烈影響[15]。根據(jù)不同形態(tài)六價(jià)鉻轉(zhuǎn)換反應(yīng)和平衡常數(shù)（25℃）。

由上述反應(yīng)式可知，Cr（VI）在水中大多數(shù)以溶解狀態(tài)存在，遷移能力較強(qiáng)，難于沉淀。當(dāng)pH值小于0.8，H2CrO4是主要的存在形態(tài)；當(dāng) pH值在0.8～6.5 之間，Cr（VI）主要以 HCrO-4形態(tài)存在；當(dāng)pH值大于6.5，C（rVI）主要以CrO24-的形態(tài)存在。在較低pH 值和較高總鉻濃度下（＞1 g·L-1），Cr2O27-占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位?？梢?，C（rVI）主要以HCrO-4、CrO24-和 Cr2O2

7-等陰離子形式存在于水溶液中。

測(cè)定的活性炭零電荷點(diǎn)為7.82，在中酸性條件下活性炭表面帶正電荷。陰離子形式的Cr（VI）和帶正電荷的活性炭表面因異性電荷相互吸引使吸附作用增強(qiáng)，同時(shí)強(qiáng)酸性溶液中大量的H+能中和活性炭表面負(fù)電荷減少Cr（VI）擴(kuò)散的阻礙。隨著溶液pH值的增加，溶液中OH-增多，活性炭表面含氧官能團(tuán)與OH-發(fā)生作用使活性炭表面帶負(fù)電荷，同性相斥導(dǎo)致吸附作用減弱，同時(shí)OH-與陰離子形式的Cr（VI）在活性炭表面產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，亦使吸附效果降低[16]。

2.2 離子強(qiáng)度對(duì)活性炭吸附Cr（VI）的影響

圖2表示離子強(qiáng)度對(duì)Cr（VI）在活性炭上吸附的影響。

圖2 離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響Fig.2 Effect of ionic strength on adsorption

由圖2可知，活性炭對(duì)Cr（VI）的吸附量隨離子強(qiáng)度的增大而減小，離子強(qiáng)度較高時(shí)對(duì)Cr（VI）吸附有明顯的抑制作用。離子強(qiáng)度的增加使離子間相互作用力增強(qiáng)，Cr（VI）活度系數(shù)降低，阻礙了 Cr（VI）從溶液主體擴(kuò)散到活性炭表面。離子強(qiáng)度的增加使Cr（VI）有效濃度減小，活性炭與Cr（VI）的靜電引力減弱，亦使得吸附量降低[17]。

2.3 共存離子對(duì)活性炭吸附Cr（VI）的影響

共存離子對(duì)活性炭吸附Cr（VI）的影響見圖3。

圖3 共存離子對(duì)吸附的影響Fig.3 Effect of coexistence ion on adsorption

從圖3可以看出，陽(yáng)離子形式的Cd（II）共存與單獨(dú) Cr（VI）存在時(shí)相比，Cr（VI）吸附量略有降低，且隨著 Cd（II）濃度增加，Cr（VI）吸附量降低程度增加，降低幅度0.42%～6.65%。Cd（II）的存在使得溶液中離子濃度增加導(dǎo)致吸附過(guò)程中擴(kuò)散阻礙，使Cr（VI）吸附量降低，且 Cd（II）濃度增加，該影響越明顯。

3 結(jié)論

（1）pH值對(duì)活性炭吸附Cr（VI）有重要影響，對(duì)Cr（VI）吸附適宜的 pH 值為 3，這是因?yàn)?Cr（VI）在水溶液中形態(tài)分布受到pH值顯著影響，同時(shí)pH值還控制著活性炭表面帶電狀況。

（2）離子強(qiáng)度對(duì)活性炭吸附Cr（VI）有明顯影響，隨離子強(qiáng)度的增大，活性炭對(duì)Cr（VI）的吸附量減小，吸附過(guò)程受離子交換控制。

（3）吸附過(guò)程受到共存離子的影響，共存離子Cd（II）存在時(shí)，對(duì)活性炭吸附 Cr（VI）的影響是使吸附量略有減少。

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Effect of pH,ion strength and coexistence ion for Cr（VI）adsorption on activated carbon*

FAN Ming-xiaa,b,ZHAO Chun-linga,b
（a.Hubei Collaborative Innovation Center for High-efficiency Utilization of Solar Energy;b.College of Material and Chemical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China）

In order to better apply activated carbon to treat chromium wastewater，the influences of pH,ion strength and coexistence ion for Cr（VI）adsorption were studied.Since hydroxy complex ions of Cr（VI）in aqueous solution were found to be strongly determined by pH,the results showed that favorable pH value of Cr（VI）adsorption was 3.The adsorption capacities decreased with the increase of ion strength.Cr （VI） adsorption capacities could be decreased by coexistence ion Cd（II）.

activated carbon；chromium ion；adsorption；ion strength；coexistence

O647.3

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171025

2017-07-24

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（Q20161409）；湖北工業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金（BSQD14001）；綠色輕工材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金面上項(xiàng)目（省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科〔2013〕2號(hào)）

范明霞（1979-），女，博士，講師，研究方向：功能性活性炭制備及應(yīng)用、重金屬污染防治。