活性炭對(duì)重金屬污染土治理試驗(yàn)研究
——以Cu離子為例

李 強(qiáng)

(張北運(yùn)達(dá)風(fēng)電有限公司，河北 張家口 075000)

0 引 言

我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展帶動(dòng)了我國其他各行各業(yè)的繁榮進(jìn)步，然而隨之而來的各種環(huán)境問題也是日益嚴(yán)重，其中以土壤污染問題最為凸顯[1-4].土壤本身作為自然環(huán)境中的開放系統(tǒng)，當(dāng)人類活動(dòng)產(chǎn)生的垃圾(例如生活廢物、工業(yè)廢水等)進(jìn)入土壤環(huán)境之后，使得土壤環(huán)境的質(zhì)量發(fā)生巨大變化，嚴(yán)重影響農(nóng)副產(chǎn)品的質(zhì)量[5-7].隨著科技的進(jìn)步，人類所產(chǎn)生的垃圾的分子結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜，一些垃圾甚至具有超出人類所能想象的危害.在土壤污染中，以重金屬污染最為廣泛、嚴(yán)重，其直接原因?yàn)楣S排放的廢水，使得土壤中重金屬超標(biāo)[8-10].土壤污染具有不易發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)，同時(shí)隨著時(shí)間的累計(jì)，污染性會(huì)越來越嚴(yán)重.我國歷史遺留的土污染問題較為嚴(yán)重，土壤污染所導(dǎo)致的年經(jīng)濟(jì)損失已達(dá)到2000萬，特別在某些重工業(yè)地區(qū)，所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失甚至更高.重金屬污染不只是單一污染源所能導(dǎo)致的作用，各金屬離子之間相互影響，可能產(chǎn)生更大的危害，但這對(duì)處理土壤污染的手段影響并不大，將單一金屬離子進(jìn)行處理，離子間相互影響的作用可大幅度消除.本文通過選取某地區(qū)重金屬污染土進(jìn)行活性炭去污試驗(yàn)來研究活性炭對(duì)重金屬Cu離子污染土的治理情況.

1 污染性重金屬概況

重金屬的相對(duì)密度大于4.5 g·cm-3的金屬具有嚴(yán)重的污染性，包括Cu、Cd等約45種金屬都可導(dǎo)致城市環(huán)境的惡化、資源受到污染等多種時(shí)間性的問題，土壤中重金屬污染源主要為人類不適當(dāng)?shù)幕顒?dòng)，使得土壤中重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo).土壤中重金屬超標(biāo)的原因主要有工業(yè)廢水、固體垃圾的堆放、大氣沉降以及化肥、農(nóng)藥的不正當(dāng)使用.使用重金屬超標(biāo)的工業(yè)污水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)，不僅對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量造成重大危害，也對(duì)作物的質(zhì)量產(chǎn)生重大的影響，甚至農(nóng)作物不產(chǎn).王顯妍等[11]研究了不同污水濃度之下兩種小麥品種的生長狀況，研究發(fā)現(xiàn)隨著污水中重金屬濃度的升高，小麥葉片中的SOD活性因子呈現(xiàn)下降的趨勢，可見重金屬污染對(duì)農(nóng)作物的影響危害之大.表1為采集土樣中重金屬污染類型以及污染程度.

表1 土壤中主要金屬污染物以及其分類

土壤重金屬污染具有危害性強(qiáng)、較難去除等特點(diǎn)，并且其影響時(shí)間長，潛伏期長.按上述表中分類情況對(duì)所選區(qū)域的土質(zhì)進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示此地區(qū)土壤為重度污染土壤，采用改良活性炭對(duì)此地區(qū)污染土進(jìn)行治理.

2 改良活性炭制備

活性炭在化學(xué)性質(zhì)上穩(wěn)定，并且可由廣范圍的材料制得，并且活性炭的吸附能力強(qiáng)，其吸附能力不止限制于物理吸附，其化學(xué)吸附作用也越來越受到廣泛的關(guān)注，尤其在重金屬污染土壤方面.活性炭的吸附能力取決于原材料的成分、灰度的含量、比表面積等特征有關(guān)，因此眾多學(xué)者通過改變活性炭的幾個(gè)特征來對(duì)其進(jìn)行改良以提高活性炭的吸附能力.本文通過化學(xué)改性的方法改良活性炭的吸附能力.采用的化學(xué)試劑見表2所示：

表2 改良活性炭所選用化學(xué)試劑

圖1 250 ml燒瓶

稱取7.5 g試驗(yàn)原始活性炭分別放入0.01 mol/L化學(xué)試劑中，所放試驗(yàn)活性炭與溶液的固液比為1∶3，混合物放于250 ml圓底燒瓶中加熱，沸騰之后靜置7小時(shí)，將活性炭從混合物中分離出來，用化學(xué)試劑去除活性炭中的多余離子，放入干燥箱之中干燥12 h，并準(zhǔn)備備用.

活性炭的組成成分在很大的程度上影響著活性炭的吸附能力，羥基作為活性炭中纖維分子中含量很多的成分，對(duì)重金屬離子的吸附作用十分強(qiáng)大，但原活性炭中的組成成分對(duì)重金屬離子的吸附作用并不大，因此，對(duì)活性炭進(jìn)行改良，并對(duì)其成分進(jìn)行了測定，測定結(jié)果見表3：

表3 改良活性炭性質(zhì)對(duì)比

半纖維素是活性炭中主要吸附重金屬離子的物質(zhì)，通過0.05 mol/L的高錳酸鉀溶液改性之后，其半纖維素的含量提升了0.19%.提升幅度較小，但可較大程度上提升原始活性炭的吸附能力.纖維素、木質(zhì)素、揮發(fā)分、灰分含量的提升都有利于提升活性炭的吸附能力，灰分的降低是由于高錳酸鉀與活性炭表面的物質(zhì)發(fā)生了反應(yīng)，從而降低了活性炭的灰分.

從表3中可以看出，當(dāng)對(duì)原活性炭進(jìn)行改良后，半纖維素的含量從原來的6.82%提升到了7.01%，纖維素的含量從1.85%提升到了2.35%，木質(zhì)素從原活性炭的73.88%提升到改良活性炭的84.63%，揮發(fā)分也有了一定的提升，從57.40%提升到了66.76%，提升了10.75%，提升的程度較大，而唯一在活性炭成分中降低的為灰分，原活性炭的灰分為61.72%，而改良活性炭的灰分則降低到了30.85%，降低的幅度較大.

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了研究不同改性活性炭對(duì)Cu離子的吸附去污染作用，通過高錳酸鉀、濃硝酸、氫氧化鈉改性活性炭對(duì)其吸附作用進(jìn)行測試，并通過更換不同的活性炭添加量，測試了不同添加量的活性炭對(duì)吸附作用的影響，測試結(jié)果如圖2所示：

(1)KMno4濃度對(duì)Cu離子去除率的影響

(2)NaOH濃度對(duì)Cu離子去除率的影響

(3)HNO3濃度對(duì)Cu離子去除率的影響

從圖2中可以看出，KMno4改良活性炭對(duì)Cu離子的去除率影響較大，隨著KMno4改良活性炭的KMno4濃度的升高，改良活性炭的Cu離子去除率升高，當(dāng)KMno4濃度為0.01mol/L，添加量為2%時(shí)，Cu離子的去除率為41.63%，而隨著KMno4濃度的升高，當(dāng)KMno4濃度達(dá)到0.05時(shí)，其去除率為82.63%，增長了41%，增長幅度比較大.當(dāng)KMno4改良活性炭的添加量為4%時(shí)，數(shù)據(jù)整體偏于平緩，當(dāng)KMno4濃度為0.01mol/L時(shí)，Cu離子的去除率為78.25%,而當(dāng)KMno4濃度漲到0.05mol/L時(shí)，其Cu離子的去除率高達(dá)93.52%，但Cu離子的去除率僅僅增長了15.27%.當(dāng)KMno4改良活性炭的添加量達(dá)到8%時(shí)，數(shù)據(jù)整體更加平穩(wěn)，整體呈現(xiàn)增長趨勢，但增長幅度僅有7.5%.同時(shí)，改良活性炭的添加量增加時(shí)，Cu離子濃度的消除率也在提升，當(dāng)KMno4溶液濃度為0.01mol/L時(shí)，隨著活性炭添加量從2%提升到8%，Cu離子濃度的消除率從41.63%提升到了89%，提升了47.37%，提升的程度較大.而隨著KMno4濃度的增加，改良過的活性炭的消除Cu離子的能力隨著添加量的提升同樣增加，當(dāng)KMno4濃度為0.03mol/L時(shí)，其消除率增長了48.24%，隨著高錳酸鉀濃度的提升，添加量對(duì)消除率的影響較小，數(shù)據(jù)趨近于平緩，整體僅增長了13.87%.

NaOH濃度對(duì)Cu離子的消除率影響也較大，尤其以添加量為2%、4%時(shí)，數(shù)據(jù)的整體趨勢均較陡，NaOH濃度提升后的改良的活性炭在0.02mol/L、0.08mol/L的兩點(diǎn)的提升較小，僅提升了3.24%、0.67%，但在NaOH濃度為0.05mol/L時(shí)，整體提升較大，提升了42.69%，提升較大.對(duì)于添加量為8%時(shí)，數(shù)據(jù)整體趨勢趨于平緩，整體提升了16.1%.添加量的變化對(duì)Cu離子的消除率影響并無規(guī)律，但從數(shù)據(jù)整體來說，較高的添加量可提高整體的Cu離子消除率.

對(duì)于濃HNO3的改良活性炭，隨著HNO3濃度的提升，Cu離子的消除率出現(xiàn)了峰值和最低值，當(dāng)添加量為4%、8%時(shí)，其HNO3濃度在40%時(shí)達(dá)到了最大值，而當(dāng)濃HNO3添加量在2%時(shí)，當(dāng)濃度為40%時(shí)，Cu離子的消除率達(dá)到了最低值.而濃硝酸添加量的提升可明顯提高Cu離子的消除率，但相比于高錳酸鉀改良后的活性炭來說，高錳酸鉀改良后的活性炭對(duì)Cu離子的消除率更高.相比于NaOH改良的活性炭，NaOH的濃度變化后的改良活性炭，曲線整體趨勢更陡，且呈現(xiàn)增長的趨勢.

4 結(jié) 論

本文通過研究不同的化學(xué)改良之后的活性炭對(duì)Cu離子濃度的消除率的影響，并得出了以下結(jié)論：

(1)化學(xué)試劑可改善原活性炭的特征，從而提高活性炭的吸附率.

(2)對(duì)于高錳酸鉀改良的活性炭，提高活性炭的添加量能明顯提高改良后活性炭的吸附率，在處理原活性炭時(shí)，提高高錳酸鉀溶液的濃度同樣可以提高改良后活性炭的吸附率.

(3)在用NaOH處理原活性炭時(shí)，提高NaOH的濃度可提升活性炭對(duì)Cu離子的吸附率，同時(shí)提高添加量，也能提高活性炭對(duì)離子的吸附率.

(4)濃HNO3對(duì)提升活性炭對(duì)Cu離子的吸附力影響較小，最高的Cu離子消除率僅有38.26%.