SiW11/石墨烯對含Cu2+的重金屬廢水的吸附性能

馬旭光

(黑龍江省齊齊哈爾生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

隨著我國的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，現(xiàn)代化工業(yè)進(jìn)程的加快，重金屬已經(jīng)逐步成為危害環(huán)境發(fā)展以及人類生活的問題之一[1]。銅離子是動植物和人類必須的微量元素，但是當(dāng)其含量過高時(shí)，就會出現(xiàn)生理受阻、發(fā)育停滯，甚至導(dǎo)致死亡，當(dāng)其含量過高也會對水生生態(tài)系統(tǒng)造成結(jié)構(gòu)、功能等方面的影響[2]。重金屬離子具有富集性，生態(tài)系統(tǒng)中的微生物很難降解重金屬[3]。當(dāng)前重金屬廢水一般采用化學(xué)沉淀法、離子交換法、絮凝法、膜分離法、生物處理技術(shù)和吸附法等[4]。由于吸附法操作簡單、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。本研究以SiW11/GO為吸附劑，考察了其對模擬廢水中的Cu2+的吸附性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

AFG型原子吸收分光光度計(jì)(普析通用)；BSA124S電子分析天平(sartorius賽多利斯)。SiW11/GO實(shí)驗(yàn)室自制；其它試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 吸附實(shí)驗(yàn)

在避光條件下，取150 mL不同濃度的銅離子溶液，分別加入一定量的吸附劑SiW11/GO，在不同反應(yīng)條件下，放置一定時(shí)間后，測量溶液中銅離子濃度的變化，通過計(jì)算去除率和吸附量衡量吸附劑的吸附能力。Cu2+的去除率(E)的計(jì)算，見式(1)：

式(1)中，吸附前溶液中Cu2+的濃度為C0(mg/L)；吸附后溶液中Cu2+的濃度為C1(mg/L)；Cu2+溶液的體積為V(L)；吸附劑的用量為m(g)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同條件下對Cu2+吸附性能影響

2.1.1 吸附時(shí)間對Cu2+吸附的影響

吸附劑投加量為0.5 mg，Cu2+溶液濃度為1.5 mg/L，在常溫避光條件下，吸附時(shí)間對Cu2+吸附的影響結(jié)果如圖1所示。

圖1 吸附時(shí)間對Cu2+吸附的影響

由圖1可見，吸附劑SiW11/GO對Cu2+的去除率，隨著時(shí)間的增加而不斷增大，在90 min以前，吸附劑的吸附速率較快，90 min以后隨著時(shí)間的延長吸附速率逐漸緩慢；在120 min后SiW11/GO吸附達(dá)到平衡。由于在吸附初期吸附劑的表面有較多的吸附位點(diǎn)，且溶液中Cu2+的濃度相對較高，使吸附劑的去除率相對較快，在90 min后，兩種吸附劑表面的吸附位點(diǎn)減少，去除率也隨之降低[5]。

2.1.2 SiW11/GO用量對銅離子吸附的影響

圖2 吸附劑量對Cu2+吸附的影響

銅離子溶液濃度為1.5 mg/L，吸附劑投加量分別為0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0 mg ，在常溫避光條件下，考察吸附過程中Cu2+溶液濃度的變化。由圖2可見，Cu2+的去除率隨著吸附劑的量的增加而增大，當(dāng)吸附劑的投加量為2.0 mg時(shí)，SiW11/GO的吸附趨于平衡，去除率為96.99%。這是因?yàn)?，在同樣濃度的Cu2+溶液中，吸附劑增多，吸附位點(diǎn)也越來越多，去除率也就越來越大[6]。

2.1.3 pH值對吸附效果的影響

調(diào)節(jié)Cu2+溶液pH值分別為2、3、5、6、7、8，吸附劑投加量為2.0 mg，在常溫避光的條件下，考察吸附過程中pH值對溶液中Cu2吸附的影響，結(jié)果見圖3。由圖3(b)可知，未加吸附劑時(shí)，溶液pH值由2增加到7，Cu2+濃度基本不變，但當(dāng)pH值大于7之后，由于溶液中的OH-與Cu2+反應(yīng)生成沉淀，使溶液中Cu2+濃度驟降。由圖3(a)可知，而加入吸附劑后，隨著溶液pH值的增加，去除率也隨之升高，當(dāng)pH值大于7之后，吸附劑對溶液中Cu2+的吸附性能驟增。這是因?yàn)?，?dāng)溶液的pH較低時(shí)，溶液中的H+數(shù)量較多，與Cu2+形成競爭吸附位點(diǎn)，使吸附劑表面的靜電斥力增加，使吸附劑對Cu2+的吸附量變低；隨著隨著pH的升高，H+數(shù)量減少，吸附劑表面吸附位點(diǎn)增加，吸附能力提高[5]；當(dāng)pH值大于7之后，溶液中的OH-與Cu2+反應(yīng)生成沉淀，溶液中Cu2+濃度驟降。因此，吸附劑對Cu2+吸附的最佳pH值為7。

(a)未加入吸附劑，(b)未加入吸附劑

2.2 吸附等溫線和吸附動力學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 吸附等溫線實(shí)驗(yàn)

用Langmuir等溫吸附模型來描述SiW11/GO兩種吸附劑對Cu2+的吸附，Langmuir等溫線方程的線性形式為：

式(2)中，qmax-最大吸附量，mg/g；Ce-吸附達(dá)到平衡時(shí)Cu2+溶液的濃度，mg/L；

qe-吸附平衡時(shí)吸附劑吸附量，mg/L；kL-吸附反應(yīng)平衡常數(shù)，L/g。

根據(jù)Langmuir吸附等溫方程，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制和SiW11/GO對Cu2+的吸附等溫線。

圖4 SiW11/GO對Cu2+的吸附等溫線

如圖4所示，吸附劑SiW11/GO對Cu2+的吸附能較好的符合Langmuir吸附等溫方程，線性相關(guān)系數(shù) =0.9928。

2.2.2 吸附動力學(xué)研究

吸附劑的投加量為2.0 mg，pH值=7，Cu2+溶液的濃度為1.5 mg/L ，在常溫避光條件下，采用準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)方程進(jìn)行擬合。準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)公式(3)所示。

式中，t-吸附反應(yīng)時(shí)間，min；Qe-平衡時(shí)的吸附量，mg/g；Qt- 時(shí)刻的吸附量，mg/g；k2-準(zhǔn)二級吸附速率常數(shù)，g/(mg·min)。

圖5 SiW11/GO對Cu2+的準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)圖

圖5是吸附劑SiW11/GO對Cu2+的準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)曲線圖，可知：吸附劑的準(zhǔn)二級模型計(jì)算得到的平衡吸附量為89.29 mg/g ,與實(shí)驗(yàn)測得的吸附量87.83 mg/g更加接近；吸附劑的準(zhǔn)二級動力學(xué)模型R2=0.9987，更加接近1。因此，準(zhǔn)二級模型能更好的描述吸附劑對Cu2+溶液的吸附行為。

3 結(jié)論

本文以SiW11/GO為吸附劑，對模擬含Cu2+的廢水進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，吸附劑對Cu2+的吸附效果明顯，當(dāng)吸附劑投加量為2.0 mg，Cu2+廢水濃度為1.5 mg/L，溶液pH值=7時(shí)，去除率分別為96.99%，吸附量為87.83 mg/g。