FeCo/H-103 磁性樹脂吸附苯胺廢水的性能研究

曹允潔

（濱州學院化工與安全學院，山東 濱州 256603）

苯胺廣泛應用于印染、制藥和化工行業(yè)。苯胺類物質的性質活潑，生物毒性大，受熱分解會產(chǎn)生有毒煙氣，對眼睛、黏膜和上呼吸道有嚴重的刺激作用[1]。含苯胺的廢水直接排放到環(huán)境中，會嚴重污染環(huán)境，造成水體污染，危害人體及生物的健康與安全。目前國內外對苯胺廢水的治理主要有萃取法、電解法、膜分離法、生物法、吸附法等[2-6]。其中，吸附法不僅可以高效地使污水中的胺含量下降，降低污染，還能將吸附的含胺類物質進行二次處理，循環(huán)利用。大孔樹脂是廢水處理中被廣泛應用的吸附劑，具有吸附量大、選擇性好、吸附速率快等優(yōu)點，但大孔樹脂的顆粒小，回收較困難，不利于循環(huán)使用。將磁性金屬或金屬氧化物負載在大孔樹脂上，利用磁鐵來回收樹脂，可以解決回收難的問題[7]。本文將磁性FeCo 合金負載在H-103 樹脂上，制備了FeCo/H-103 磁性吸附樹脂并用于苯胺廢水的處理，探討了初始濃度、吸附溫度、吸附時間、廢水pH 值對吸附性能的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

HH-2 數(shù)顯恒溫水浴鍋，ZKXFB-1 型真空干燥箱，Agilent8435 型紫外分光光度計，SHA-C1 恒溫振蕩器。

FeSO4·7H2O、CoCl2·6H2O、無水乙醇、KPH4、苯胺、NaOH(均為AR)。H-103 樹脂。

1.2 實驗方法

1.2.1 Fe Co/H-103 改性樹脂的制備[8]

將未處理的H-103 樹脂、無水乙醇加入索式提取器中處理5h，去除樹脂表面的有機化合物，抽濾，放入50 ℃干燥箱中干燥12 h。

按摩爾比1∶1，稱取一定質量FeSO4·7H2O和CoCl2·6H2O，用去離子水溶解后，逐滴加入適量KPH4，反應至無氣泡生成，干燥后制備得到FeCo 合金。預處理后的H-103 樹脂用10%的NaOH 溶液浸泡1h，加入同等質量的FeCo 合金，室溫下浸泡30min，去離子水洗滌3 次，抽濾，50℃下真空干燥12 h。

1.2.2 模擬苯胺廢水處理

稱取0.20g 的FeCo/H-103 樹脂于250mL 碘量瓶內，加入100mL 一定濃度的苯胺水溶液，調節(jié)至一定pH 值，放于恒溫振蕩器中120r·min-1進行振蕩。控制不同的水浴溫度，持續(xù)振蕩一定時間。吸附達到平衡后，過濾掉FeCo/H-103 樹脂，取上清液，測量溶液的吸光度，并計算吸附后的吸附量Q和吸附效率η。

平衡吸附量的 計算公式：

式中，Q為平衡吸附量，mg·g-1；C0為溶液的初始濃度，mg·L-1；Ca為吸附平衡剩余的溶液濃度，mg·L-1；V為溶液的體積，L；m為FeCo/H-103 磁性樹脂質量，g。

吸附率計算公式：

式中，η為吸附效率，%；C0為溶液的初始濃度，mg·L-1；Ca為吸附平衡剩余的溶液濃度，mg·L-1。

2 結果與討論

2.1 苯胺標準曲線的繪制

圖1 為苯胺吸附的標準曲線。吸附標準曲線擬合方程為：y=0.01415x+0.00561，其中y代表吸光度，x代表溶液濃度（mg·L-1），相關系數(shù)R2的值為0.99965。

圖1 吸附標準曲線

2.2 初始苯胺濃度對吸附性能影響

加入0.20g 的FeCo/H-103 樹脂，在吸附溫度30℃、吸附時間3h、pH=7 的條件下，改變苯胺溶液濃度分別為80、90、100、110、120 mg·L-1，探討苯胺溶液的初始濃度對吸附量和吸附率的影響，結果見圖2。

從圖2 可以看出，隨著苯胺的初始濃度逐漸升高，吸附量也不斷增加。因為水中的苯胺含量越高，樹脂與廢水之間的濃度梯度隨之增大，會產(chǎn)生推動力，推動苯胺分子向吸附樹脂的表面運動，從而使樹脂對廢水中苯胺的吸附量增大。但當苯胺溶液濃度較高時，F(xiàn)eCo/H-103 樹脂的吸附慢慢趨向飽和，吸附量變化不大。苯胺溶液濃度小于100 mg·L-1時，吸附率不斷增加，是因為苯胺的初始濃度逐漸增大且未達到飽和，所以吸附率不斷增加；濃度大于100 mg·L-1時，吸附逐漸達到飽和，吸附率反而逐漸降低。因此，F(xiàn)eCo/H-103 樹脂的最佳吸附濃度選擇為100 mg·L-1。

圖2 苯胺初始濃度與吸附量、吸附率的關系曲線

2.3 溫度對吸附性能的影響

加入FeCo/H-103 樹脂0.2g，在苯胺溶液初始濃度100mg·L-1、pH=7、吸附時間3h 的條件下，控制溫度分別為25℃、30℃、35℃、40℃、45℃，研究吸附溫度對吸附量和吸附率的影響，結果見圖3。由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，溫度在30℃以前，吸附量和吸附率均不斷增加，這可能是因為溫度在30℃左右時，適當增大溫度會使苯胺的熱運動增強[9]，與FeCo/H-103 樹脂的碰撞次數(shù)更多，兩者的接觸更徹底，使得吸附率和吸附量均有增加。溫度大于30℃后，吸附量和吸附率不斷減小，說明溫度過高不利于FeCo/H-103樹脂對苯胺的吸附，原因可能是樹脂表面無功能性官能團，F(xiàn)eCo/H-103 樹脂的吸附主要為物理吸附，溫度繼續(xù)升高，吸附劑分子的運動速率繼續(xù)加快，吸附質與吸附劑之間產(chǎn)生的范德華力受到影響，使吸附減弱，導致FeCo/H-103 樹脂對苯胺的吸附量和吸附率減小。因此，溫度30℃是吸附的最佳溫度。

圖3 吸附溫度與吸附量、吸附率的關系曲線

2.4 吸附時間對吸附性能的影響

固定FeCo/H-103 樹脂的量0.2 g，溶液初始濃度為100 mg·L-1，溫度30℃，pH=7, 分別振蕩吸附2.0、2.5、3、3.5、4.0h，研究吸附時間對吸附量和吸附率的影響，結果見圖4。

由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，吸附量和吸附率在3h 時為吸附最高點。吸附時間在2～3h 時，吸附量和吸附率不斷增加，此時是FeCo/H-103 樹脂對水中苯胺吸附的黃金時間；當吸附時間為3h 時，吸附量和吸附率同時達到最大；吸附時間大于3h 后，吸附量和吸附率不穩(wěn)定，略有減小。這是由于吸附時間為3h 時，吸附達到了動態(tài)平衡，而FeCo/H-103 樹脂的量不變，最高吸附量也不變。剛開始吸附時，部分苯胺分子快速吸附在FeCo/H-103 樹脂表面，不夠穩(wěn)定，有少量脫落又重新吸附；在3 h 后吸附不穩(wěn)定，吸附量和吸附率略有減小。

圖4 吸附時間與吸附量、吸附率的關系曲線

2.5 pH 值對吸附性能的影響

在苯胺溶液的初始濃度為100mg·L-1、溫度30℃、吸附時間3h 的條件下，調節(jié)溶液pH 值分別為3、5、7、9、11，研究pH 值對吸附量和吸附率的影響，結果見圖5。由圖5 可以看出，F(xiàn)eCo/H-103 樹脂對廢水中苯胺的吸附量和吸附率，呈先增大后減小的趨勢，在pH=5 時達到最大。由于苯胺屬弱酸性離子化合物，在一定pH 范圍內，苯胺容易發(fā)生離子化，在水中呈現(xiàn)兩種狀態(tài)：離子態(tài)和非離子態(tài)。當pH ＜7 時，溶液中存在大量的H+，非離子態(tài)占有較大的比例，而苯胺具有較高的疏水性，所以在pH＜7 的條件下,苯胺更容易被FeCo/H-103 樹脂吸附。當pH ＞7 時，苯胺以負離子的形式存在，苯胺分子與FeCo/H-103 樹脂之間的氫鍵作用力減弱，而且在堿性條件下，苯胺分子和FeCo/H-103 樹脂表面都帶負電，苯胺與FeCo/H-103 樹脂之間容易產(chǎn)生靜電斥力，影響FeCo/H-103 樹脂對苯胺的吸附。因此，廢水的pH=5 時，F(xiàn)eCo/H-103 樹脂對苯胺的吸附效果最好。

圖5 pH 值與吸附量、吸附率的關系曲線

3 結論

本文以FeSO4·7H2O 和CoCl2·6H2O 為原料，以H-103 樹脂為載體，制備了具有磁性的FeCo/H-103 樹脂。采用靜態(tài)吸附法對苯胺廢水進行吸附實驗，通過單因素實驗，探討了苯胺溶液初始濃度、吸附溫度、pH 值、吸附時間對吸附性能的影響。得出以下結論：

1）當吸附溫度、pH 值、吸附時間、FeCo/H-103樹脂的量不變時，改變苯胺溶液的初始濃度，結果表明，隨著濃度升高，吸附量逐漸增大，最后趨于平緩，吸附效率先增大后下降。

2）當初始濃度、pH 值、吸附時間、FeCo/H-103樹脂的量不變時，改變吸附溫度，30℃以下時，吸附量和吸附率會隨溫度的升高而增高，溫度大于30℃后，吸附量和吸附率會隨溫度的升高而減小，說明溫度過高會抑制FeCo/H-103 樹脂對苯胺的吸附。

3）控制初始濃度、吸附溫度、pH 值、FeCo/H-103樹脂的量不變，改變吸附時間，結果表明，吸附時間越長，吸附量及吸附率越大，但在3h 后幾乎不變或者有些許波動。

4）當初始濃度、吸附時間、吸附溫度、FeCo/H-103 樹脂的質量不變時，改變pH 值，結果發(fā)現(xiàn)吸附量和吸附率以pH=5 時最大。

5）FeCo/H-103 樹脂處理苯胺廢水的最佳條件為：苯胺初始濃度為100 mg·L-1，水浴溫度30℃，pH=5，吸附時間3h。