玉米芯-污泥基改性復(fù)合活性炭對(duì) 廢水中Cd2+的吸附特性

易倡銳 汪彩文 孟楊

摘 要：本文以廢棄物普通玉米芯和城市污泥為研究原料，通過碳酸鉀改性、碳化方法，制備玉米芯-污泥基改性復(fù)合活性炭吸附劑。同時(shí)，探究了不同復(fù)配比例吸附劑受添加劑量、粒徑、廢水初始濃度等因素的影響程度，以優(yōu)化復(fù)合吸附劑的復(fù)配比，并利用掃描電子顯微鏡（SEM/EDS）、傅里葉紅外光譜等手段進(jìn)行檢測(cè)分析。研究表明，玉米芯與污泥的復(fù)配比為1∶3、粒徑為0.83mm左右時(shí)，其對(duì)重金屬鎘的去除率最佳;改性復(fù)合吸附劑受廢水初始濃度影響較大，當(dāng)廢水初始濃度為50mg/L時(shí)，吸附平衡效率降至90%。據(jù)此判斷玉米芯-污泥基改性復(fù)合活性炭可適用于吸附低濃度重金屬Cd2+廢水，實(shí)現(xiàn)低濃度Cd2+的固化轉(zhuǎn)移。

關(guān)鍵詞：玉米芯-污泥基;活性炭;Cd2+;吸附機(jī)理

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）01-0136-03

Absorption of Cadmiumin Water by Modificated

Corncob-Sludge-Based Activated Carbon

YI Changrui1 WANG Caiwen1 MENG Yang2

（1. Water Science and Engineering， Hunan City University， Yiyang Hunan 413000;

2.Changsha Jiasha Industrial Corporation Limited，Changsha Hunan 410007）

Abstract： The corn cob-sludge composite modified activated carbon was prepared by waste ordinary corncobs and urban sludge with potassium carbonate modifying and carbonizing， to adsorb Cd2+ in waste water .Then the composite ratio of ACSC was optimized by Cd2+ removal efficiency through the influence degree such as quality， size， initial concentration of wastewater and adsorption time. Finally， the adsorption mechanism of ACSC for Cd2+ was explored by Scanning electronmicroscopy （ SEM and EDS ） and Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR）. The results showed that it was achieved of highest removal rate for Cd2+， while the ratio of corn cob-sludge to 1∶3， and the particle size was 0.83mm， simultaneously. However， it was influenced greatly by initial concentration wastewater， while the adsorption equilibrium efficiency was decreasing to 90% as the initial concentration wastewater was increased to 50mg/L. Hence， it was established to judging the ACSC used as adsorption of low concentration of Cd2+ wastewater.

Keywords： corn cob-sludge;activated carbon;Cd2+;adsorption mechanism

隨著皮革、電鍍、電池等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，重金屬引起的水體污染問題也日益突出[1]。Cd具備很強(qiáng)的毒性，微量時(shí)即顯現(xiàn)出很強(qiáng)的生化危害性[2，3]。因此，如何高效處理廢水中的Cd（Ⅱ）已然成為環(huán)保領(lǐng)域亟待克服的問題[4]。

目前，處理重金屬污染的方法有化學(xué)沉淀、溶劑萃取、膜處理、電解法以及吸附法等。吸附法因操作簡(jiǎn)單、成本低及二次污染少等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但其前提條件是合理選取吸附劑?；钚蕴孔鳛楸缺砻娣e大和孔隙發(fā)達(dá)的吸附材料，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。與此同時(shí)，利用污泥來制備活性炭用于廢水處理，實(shí)現(xiàn)了資源化。近年來，有眾多學(xué)者闡述了污泥基活性炭的吸附性能，但少有以污泥與廢棄物玉米芯混合物為原料開展重金屬吸附研究的。因此，本文圍繞污泥-玉米芯基活性炭對(duì)重金屬Cd2+的吸附機(jī)理開展試驗(yàn)，用以實(shí)現(xiàn)含Cd2+廢水中重金屬含量的全量化轉(zhuǎn)移及污泥、玉米芯資源化利用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 改性玉米芯-污泥基活性炭的制備

取定量的污泥、玉米芯分別置于105℃和70℃干燥至恒重，然后將玉米芯破碎備用。將純污泥與玉米芯依據(jù)不同的質(zhì)量比（1∶4、1∶3、1∶2）進(jìn)行復(fù)配后，浸泡于一定摩爾比的K2CO3溶液中24h，置于馬弗爐中650℃灼燒2h。冷卻后進(jìn)行研磨、過篩，水洗至中性后進(jìn)行干燥，即可得玉米芯-污泥基改性復(fù)合活性炭（ACSC）。

1.2 吸附試驗(yàn)

采用Cd（NO3）2溶液模擬廢水，ACSC用作吸附劑。稱取確定量的ACSC顆粒加入固定體積50mL、梯度質(zhì)量濃度的Cd2+廢水溶液中，置于25℃的錐形瓶中振蕩吸附2h，以確保吸附至平衡狀態(tài)。經(jīng)過濾后，通過原子吸收儀測(cè)定溶液殘余重金屬濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 ACSC表面形貌分析

圖1（a）和（c）分別為ACSC吸附Cd2+前后的SEM圖;圖1（b）和（d）分別為ACSC吸附Cd2+前后的EDS圖。由圖1（a）可知，純ACSC表面孔隙豐富，孔徑尺寸約為1.5μm。而圖1（c）中的表面存在亮白色吸附物質(zhì)，初步推測(cè)其為被吸附的Cd2+物質(zhì)。而在圖1（d）的EDS能譜圖中出現(xiàn)的Cd元素峰證實(shí)了上述推測(cè)。除此之外，ACSC吸附前后，EDS能譜圖中的C/O比例降低，說明吸附過程中發(fā)生C=C鍵的斷裂引入氧原子?？梢?，ACSC實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cd2+的成功吸附。

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圖1 ACSC吸附重金屬Cd2+前后的SEM及EDS圖譜[（a）和（c）為吸附前;（b）和（d）為吸附后]

2.2 ACSC吸附Cd2+的機(jī)理研究

ACSC吸附Cd2+前后的FTIR譜線如圖2所示。活性炭主要由C，O及H元素組成，圖2中3 421.06cm-1處的吸收峰歸屬于其表面締合O—H、COOH和化學(xué)吸附水的的伸縮振動(dòng)。該吸收峰吸附Cd2+后峰強(qiáng)有明顯的降低，這意味著吸附后其表面的羥基和羧基發(fā)生大幅度斷裂，說明其表面對(duì)Cd2+的成功吸附。而2 921.88cm-1和2 920.48cm-1處的吸收峰屬于飽和-CH-，-CH2-和-CH3烷基中C-H的對(duì)稱和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰。原對(duì)應(yīng)C=C鍵伸縮振動(dòng)的1 532.30cm-1處吸收峰紅移至1 418.74cm-1處（對(duì)應(yīng)不對(duì)稱與對(duì)稱的COO-鍵的吸收峰），表明活性炭骨架中的C=C鍵鍵長(zhǎng)發(fā)生斷裂，據(jù)此推測(cè)ACSC對(duì)Cd2+的吸附是物理與化學(xué)共同作用的吸附方式。同時(shí)，1 037.28cm-1處對(duì)應(yīng)CH2-O-CH2中的C-O伸縮振動(dòng)的峰強(qiáng)大幅度增加，進(jìn)一步驗(yàn)證了ACSC骨架中的C=C鍵斷裂[5]。綜上所述，由ACSC吸附前后的紅外光譜數(shù)據(jù)可得出與其SEM和EDS圖譜一致的結(jié)論。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第01期_103595＼Image＼image2.tiff>[500? ? 1 000? ? ? 1 500? ? ?2 000? ? ?2 500? ? 3 000? ? 3 500? ? 4 000][波長(zhǎng)/cm-1][透過率][a-吸附前][b-吸附后]

圖2 ACSC吸附前后的傅里葉紅外光譜圖

2.3 吸附劑量對(duì)廢水中Cd2+吸附效率的影響

首先，將復(fù)配比為1∶4、1∶3、1∶2的ACSC吸附劑分別記為ACSC1、ACSC2、ACSC3。然后按1.2的試驗(yàn)方法，將之加至20mg/L的鎘模擬廢水中振蕩。

圖3為ACSC1—3對(duì)Cd2+吸附效率的作用曲線圖。由圖3可知，吸附效率隨添加量的增加逐漸增大，隨后逐漸穩(wěn)定;且當(dāng)ACSC3樣品添加量增至8g/L時(shí)，達(dá)到吸附平衡（99.89%）。由于吸附平衡前Cd2+能與ACSC表面含氧官能團(tuán)催化，因此被其吸附至孔隙內(nèi)[6];而同質(zhì)量的ACSC3由于玉米芯基活性炭與污泥基相比密度較小，造成物質(zhì)的量多，形成了吸附劑顆粒間的碰撞，阻礙其表面活性位點(diǎn)與Cd2+的接觸，從而降低了對(duì)Cd2+的平衡吸附率。此后，均以0.4g作為吸附劑最佳添加量進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4 吸附劑粒徑對(duì)廢水中Cd2+吸附效率的影響

利用不同孔徑的篩子制備所需粒徑（1.7、1.4、0.83、0.38mm以及0.25mm）的吸附劑。依據(jù)吸附劑最佳用量進(jìn)行吸附試驗(yàn)。

圖4為吸附劑粒徑對(duì)Cd2+吸附效率的作用曲線。從圖4可知，吸附效率隨著樣品1—3粒徑的增大呈現(xiàn)先上升后又下降的趨勢(shì)。其中，粒徑0.83mm的三種樣品碳化的玉米芯對(duì)水中鎘的去除率均在95%以上，粒徑D>0.83mm以后，吸附率急劇降低。該現(xiàn)象歸因于過度研磨造成ACSC孔隙結(jié)構(gòu)的破壞，引發(fā)其孔隙率降低，進(jìn)而降低了吸附效果。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第01期_103595＼Image＼image3.tiff>[吸附劑質(zhì)量/g][0.1? ? ? ? ? ? ? ? ?0.2? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.3? ? ? ? ? ? ? ? ?0.4? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.5][100

95

90

85][Cd吸附率/%][1：4ACSC][1：3ACSC][1：2ACSC]

圖3 吸附劑量對(duì)Cd2+吸附效率的作用曲線

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第01期_103595＼Image＼image5.tiff>[0.25? ? ? ? ? ? ? 0.38? ? ? ? ? ? ? 0.83? ? ? ? ? ? ? ?1.4? ? ? ? ? ? ? 1.7][吸附劑粒徑/mm][100

95

90

85

80][Cd吸附率/%][1：4ACSC][1：3ACSC][1：2ACSC]

圖4 吸附劑粒徑對(duì)Cd2+吸附效率的作用曲線

2.5 初始濃度對(duì)廢水中Cd2+吸附效率的影響

圖5為0.4g ACSC對(duì)梯度濃度10mg/L的Cd2+廢水溶液的吸附作用曲線。

由梯度濃度作用曲線可知：隨著Cd2+廢水初始濃度的增加，ACSC的吸附效果于20mg/L的狀態(tài)下達(dá)到了飽和吸附。其吸附效率隨初始濃度的增大呈降低趨勢(shì)，50mg/L時(shí)，樣品2效率降至90%。因此，ACSC受廢水溶液初始濃度影響較大，適宜于吸附低濃度的廢水溶液。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第01期_103595＼Image＼image6.tiff>[10? ? ? ? ? ? 20? ? ? ? ? ? 30? ? ? ? ? ? 40? ? ? ? ? ? ?50][初始濃度/mg·L-1][100

95

90

85

80

75][Cd吸附率/%][1：4ACSC][1：3ACSC][1：2ACSC]

圖5 初始濃度對(duì)Cd2+吸附效率的作用曲線

3 結(jié)論

本次研究成功實(shí)現(xiàn)了廢棄物與城市污泥的資源化，制備玉米芯-污泥基改性復(fù)合活性炭，并對(duì)二者的復(fù)配比、粒徑及其吸附Cd2+的性能參數(shù)進(jìn)行研究。研究表明，二者復(fù)配制備的活性炭對(duì)Cd2+的吸附為物理與化學(xué)吸附共同作用的結(jié)果。此外，當(dāng)復(fù)配比為1∶3、粒徑為0.83mm時(shí)，其對(duì)重金屬隔的去除率最佳;且改性復(fù)合吸附劑受廢水初始濃度影響較大。玉米芯-污泥基改性復(fù)合活性炭可適用于吸附低濃度重金屬Cd2+廢水，實(shí)現(xiàn)低濃度Cd2+的固化轉(zhuǎn)移。

參考文獻(xiàn)：

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