生物炭吸附劑對重金屬離子的吸附研究

楊力

（西安航天城第一小學(xué)，陜西 西安710100）

1 引 言

自然界中的重金屬大多數(shù)是以單質(zhì)或化合物形式存在于地球上，因此是不會對自然的生態(tài)環(huán)境以及人類的生活產(chǎn)生太大的威脅[1-3]。但是這些年，由于社會的發(fā)展需要，對金屬礦物的開采量持續(xù)增多以及現(xiàn)代工業(yè)的日益發(fā)展，化妝產(chǎn)品添加有增白作用的重金屬汞，汽車尾氣、印刷場所，甚至生活中的油漆涂料等等都含有重金屬，這些對人的健康產(chǎn)生一系列的危害。此外，工業(yè)生產(chǎn)者缺乏環(huán)境保護(hù)的意識，工廠為了減少廢物處理利用的資金等等造成大量的含汞、銅、鉻等重金屬離子的工業(yè)廢水沒有經(jīng)過處理就直接排入江河水體之中，使得水源中重金屬積累加劇，造成嚴(yán)重的影響。由此可見，重金屬污染對我們生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)及人類健康以及后代的健康都有著巨大的危害，如何有效地減小重金屬離子對人類的危害是當(dāng)今社會急需解決的問題[4]。近年來，環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域也開始密切地關(guān)注著重金屬污染及其除去方法研究。

工業(yè)廢水處理中最常見的重金屬移除有以下三大類：物理法去除、化學(xué)法去除以及生物法去除。傳統(tǒng)的吸附劑有粘土、沸石、活性炭、二氧化硅等材料，這些吸附劑的吸附容量、吸附效率較低。因此，新興吸附劑生物炭應(yīng)運(yùn)而生。生物炭是指含碳的有機(jī)物質(zhì)在缺少氧氣的條件下經(jīng)過一段時(shí)間熱解得到的一種含碳多孔結(jié)構(gòu)的難溶的固體產(chǎn)物。傳統(tǒng)的生物炭的制備方法是將農(nóng)作物秸稈、稻草、稻殼等有機(jī)廢物以及家禽的糞便、生活垃圾污泥等棄物作為制備原料，把棄物堆積后用泥土覆蓋表面燃燒，堆積的物質(zhì)材料燃燒生成的產(chǎn)物就是生物炭[6]。傳統(tǒng)的生物炭具有良好的吸附性能，因?yàn)楫a(chǎn)物表面有著較多的含氧官能團(tuán)可以進(jìn)行離子交換應(yīng)用于廢水處理吸附重金屬。雖然生物炭傳統(tǒng)的制備方法簡單，但是在空氣中直接燃燒會放出有害氣體造成空氣污染。如今人們最常用的制備生物炭的方法慢速熱解制備，此方法得到的生物炭產(chǎn)物的產(chǎn)率較高，吸附效果好。生物炭主要含有的是C、O、H 元素以及少量金屬元素例如鈣鎂元素[5]。產(chǎn)物中元素的含量以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會因?yàn)橹苽涞脑?、方法以及溫度的不同而產(chǎn)生差異。溫度越高，產(chǎn)生的生物炭的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。生物炭的表面有含氧基團(tuán)，因此有著比較好的親水性以及良好的吸附效果。生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，它的比表面積大并且有著良好的吸附效果及吸附后可以回收利用，循環(huán)利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)物的五次回收利用吸附量還可以達(dá)到90%以上。除了廢水重金屬的去除，生物炭還可以減小土壤中重金屬的含量。由此看來，生物炭在農(nóng)業(yè)、土壤、環(huán)境治理以及廢水處理等方面有著一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

可用于制備生物炭的生物質(zhì)材料來源比較廣泛，農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物如稻草、稻殼、糞便、生活垃圾以及污泥等棄物均可以作為制備生物炭的原料。有研究人員將生物炭與其他的物質(zhì)材料、金屬離子等等通過物理、化學(xué)方法進(jìn)行修飾,制備出生物炭的復(fù)合材料，比如錳、氮等離子的摻雜[6]。而在制備生物炭上，調(diào)節(jié)制備的溫度，加入不同比例的試劑活化生物炭，調(diào)整處理樣品的時(shí)間其中的某一個(gè)任意條件的變化制備出來的生物炭都不相同。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過摻雜制備出的生物炭產(chǎn)物結(jié)構(gòu)上比表面積大，吸附效果更好。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

2.1.1 試劑

Cu(NO3)2·6H2O（天津永晟精細(xì)化工有限公司）；泡沫（商場廢棄物泡沫箱）；無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、氨水均購自北京化工廠。

2.1.2 儀器

天平，燒杯(50 mL,100 mL)，量筒，容量瓶，玻璃棒，移液管(25 mL)，洗耳球，抽濾瓶，抽濾裝置（真空泵、布氏漏斗、濾紙），ICP 發(fā)射光譜儀ICPS-8100（島津企業(yè)管理有限公司），85-2 恒溫磁力攪拌儀（常州智博瑞儀器制造有限公司）等。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

將泡沫洗凈后干燥，使其完全燃燒，待生成物（呈黑色）冷卻后取部分，放入研缽研磨至粉末狀，待用。

2.2.1 探究p H 值對吸附效果的影響

首先配置溶液，取0.1 g 的Cu(NO3)2·6H2O 晶體加入50 mL 燒杯中，加入蒸餾水溶解后轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶，配置成濃度為0.0034 mol/L 的Cu(NO3)2溶液，移液管分別移取25 mL 至錐形瓶中，并標(biāo)號1、2、3、4、5、6；接著用1 mol/L 鹽酸或者2 mol/L 氨水依次調(diào)節(jié)錐形瓶內(nèi)溶液的pH 至1,3,4,5,7,9。最后稱量0.1 g 的吸附劑，加入錐形瓶中，放入磁力攪拌子，常溫下攪拌2 h 后將溶液取出進(jìn)行抽濾，溶液保存在原標(biāo)號瓶中用ICP 發(fā)射光譜儀測量Cu(NO3)2濃度。

2.2.2 探究溫度對吸附效果的影響

本次溫度設(shè)置四個(gè)區(qū)間，20℃～30℃；30℃～40℃；40℃～50℃；50℃～60℃。取四個(gè)錐形瓶，移液管分別移取已經(jīng)配置好的0.0034 mol/L Cu (NO3)2溶液25 mL 入錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH 為4，標(biāo)號(A、B、C、D）并標(biāo)好溫度區(qū)間后，稱量0.1 g 的吸附劑加入錐形瓶中，放入磁力攪拌子，對應(yīng)標(biāo)號的溫度區(qū)間設(shè)定好恒溫?cái)嚢鑳x的最高溫度，在磁力攪拌2 h 后將溶液取出進(jìn)行抽濾，濾液保存待測量Cu(NO3)2濃度。

2.2.3 探究吸附劑的循環(huán)吸附效率

為探究影響該吸附劑的吸附效率，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。

移液管移取已經(jīng)配置好的0.0034 mol/L Cu(NO3)2溶液25 mL 轉(zhuǎn)移到錐形瓶中，用天平稱量0.1 g 的吸附劑加入錐形瓶中，加入磁力攪拌子后開始攪拌，兩個(gè)小時(shí)以后取出溶液抽濾。抽濾完畢吸附劑和溶液分離后，樣品溶液保存在原錐形瓶中待測量Cu(NO3)2濃度，固體吸附劑依次用無水乙醇、2 mol/L NaOH 以及2 mol/L 的HCl 潤洗，潤洗完畢后120℃下干燥1 d，待用。將處理好的吸附劑重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，分別進(jìn)行五次循環(huán)吸附實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 pH 值對吸附效果的影響

表1 pH 值對吸附效果的影響

表1 為pH 值對吸附效果的影響數(shù)據(jù)表。由表可以得知，本次吸附試驗(yàn)采用的0.1 g 的吸附劑去吸附0.0034 mol/L Cu(NO3)2溶液，開始調(diào)節(jié)pH 時(shí)，就會發(fā)現(xiàn)pH 為5 時(shí)溶液出現(xiàn)少量渾濁，因?yàn)樯伤{(lán)色Cu (OH)2沉淀，最后抽濾時(shí)可以發(fā)現(xiàn)pH 值越高的溶液沉淀生成的量越大[5]?？刂莆竭^程的酸堿度時(shí)，溶液的pH 值太高或者過低都會使吸附率降低，數(shù)據(jù)得出最佳的吸附效果pH 約為4。

3.2 溫度對吸附效果的影響

表2 為溫度對吸附效果的影響數(shù)據(jù)表。由表可知，在一定溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)使用10℃為一個(gè)階梯探究溫度與吸附效果的關(guān)系。在此次的溫度的設(shè)定中，溫度也不能太高，因?yàn)閿嚢钑r(shí)間比較長，溫度過高水蒸發(fā)了的話就會使溶液的濃度增大，當(dāng)然我們也可以加蓋子防止水揮發(fā)，但是安全起見溫度不宜太高，最后根據(jù)數(shù)據(jù)得出常溫條件下吸附效果最佳[4]。

表2 溫度對吸附效果的影響

3.3 探究吸附劑的循環(huán)吸附效果

表3 為吸附劑的循環(huán)吸附效果數(shù)據(jù)表。由表可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，吸附效率逐漸降低，第五次循環(huán)吸附后，吸附效率仍有89.2%，高于其他吸附材料[6]。

表3 吸附劑的循環(huán)吸附效果

4 結(jié) 論

重金屬離子污染是環(huán)境污染的重要因素之一，對吸附劑的探索也是迫在眉睫。在眾多的吸附劑中，探索更高效、更環(huán)保的吸附材料是研究者關(guān)注的重點(diǎn)。生物炭吸附劑，作為一類環(huán)保型新興吸附劑，進(jìn)入人們的視線中。本文介紹了生物炭吸附劑的制備方法和吸附特點(diǎn)，并研究了pH 和溫度對吸附效果的影響，以及生物炭吸附劑對銅離子的循環(huán)吸附效率，為生物炭材料的進(jìn)一步吸附研究提供條件。