活性炭负载重金属离子

1、目录摘要错误！未定义书签。Abstract错误！未定义书签。TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 第一章前言3 HYPERLINK l bookmark14 1.1重金属废水概述3 HYPERLINK l bookmark16 1.2重金属废水的处理方法31.2.1化学法31.2.2物理法41.2.3生物修复法5 HYPERLINK l bookmark18 活性炭处理重金属的吸附机理6 HYPERLINK l bookmark20 活性炭处理重金属的吸附平衡模式7 HYPERLINK l bookmark22 Freundlich模式和Langmuir模式

2、7表面络合模式7 HYPERLINK l bookmark24 活性炭吸附重金属效果的影响因素71.5.1活性炭用量7pH值8溶液初始浓度8 HYPERLINK l bookmark26 1.5.4吸附时间8 HYPERLINK l bookmark28 1.5.5温度8 HYPERLINK l bookmark30 1.5.6共存离子9 HYPERLINK l bookmark32 1.5.7其他因素9 HYPERLINK l bookmark34 第二章实验部分102.1实验试剂10 HYPERLINK l bookmark36 2.2实验仪器与设备10 HYPERLINK l bookm

3、ark38 2.3实验方法102.3.1溶液的配置10活性炭的预处理10 HYPERLINK l bookmark40 2.3.3实验步骤10 HYPERLINK l bookmark44 第三章实验结果与讨论12 HYPERLINK l bookmark46 吸附标准曲线12 HYPERLINK l bookmark48 3.2温度对吸附效果的影响13 HYPERLINK l bookmark50 pH值对吸附效果的影响143.4吸附时间对吸附效果的影响15 与中和沉淀法相比，硫化物沉淀法的优点是重金属硫化物溶解度比其氢氧化物的溶解度更低，且处理后的废水一般不用中和。其缺点是：硫化物沉淀物颗

4、粒小，易形成胶体，硫化物沉淀剂本身在水中残留，遇酸生成硫化氢气体，产生二次污染1。铁氧体共沉淀法的主要原理为使铁离子和重金属离子产生氢氧化物沉淀，通入空气搅拌并加入氢氧化物不断反应，形成重金属离子-铁氧体。该法形成的污泥化学稳定性较高，易于固液分离和脱水。一般用来处理含Cr废水，也特别适用于含重金属离子的电镀混合废水5。这种方法的优点是设备简单、投资少、操作简便、不产生二次污染，缺点为能耗较高，处理后盐度高，且处理的重金属种类有限。总而言之，化学沉淀法因为沉淀剂的加入容易造成二次污染，而且沉淀剂和环境条件都会影响出水质量，且对沉淀物的处理工艺要求很高，再利用价值不高6。电解法电解法是利用金属的

5、电化学性质，使金属离子在电解时能从相对高浓度的溶液中分离出来，然后加以利用。电解法的优点有去除率高、可回收利用重金属、无二次污染等，但其又有能耗大、不能处理较低重金属离子浓度的废水的缺点。高分子重金属捕集剂法重金属捕集剂能够结合重金属离子，生成稳定且难溶于水的金属螯合物。反应的效率较高，处理重金属废水时污泥沉淀快，含水率低，并具有良好的选择性，可将部分重金属离子与其他离子分离、回收再利用，从而克服了传统化学处理法的不足，为后续的处理提供了方便，特别对废水中重金属含量低的废水，处理费用相对较低，但目前并没有大规模的运用到生产中。1.2.2物理法物理法即使废水中的重金属在不改变其化学形态的条件下进

6、行吸附、浓缩、分离的方法，包括吸附、溶剂萃取、蒸发和凝固法、离子交换和膜分离等。吸附法吸附法是利用吸附剂吸附溶存于废水中重金属离子的一种方法。吸附法主要是以物理吸附和化学吸附为主。吸附法因其材料便宜易得，成本低，去除效果好而一直受到人们的青睐。传统的、应用得较多且技术较成熟的吸附剂为活性炭。活性炭是一种非极性吸附剂，它具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。与其他吸附剂相比，活性炭具有巨大的比表面积和特别发达的微孔，通常活性炭的比表面积高达500-1700m2/g。诸多研究表明，在重金属的去除领域，活性炭吸附法具有技术简单、经济可行、效果良好

7、等优点8。但是活性炭再生效率低，使用寿命短，出水水质有时难以满足回用水要求。近年来，国内外逐渐开发出有吸附能力的多种吸附材料，一类是以自然资源作为天然吸附材料，如腐植酸(HA)类物质、粘土(斜发沸石)、壳聚糖类、玉米棒子芯、白杨木材锯屑等；另一类是利用微生物作为生物吸附材料。生物吸附剂是一种特殊的离子交换剂，与常规离子交换剂不同，起作用的是生物细胞，主要有菌体、藻类和细胞提取物等。生物吸附剂具有其他吸附剂所不具有的的优点，例如：原料的来源广、价格低、吸附能力强、易于分离回收重金属等特点，因此在国外已经被较为广泛应用。但此法也存在一些问题：吸附容量较易受环境因素影响，另外，生物吸附材料对重金属的

8、吸附具有选择性，而重金属废水中往往含有多种重金属，应用上受到一定限制等10。溶液萃取法用溶液萃取法处理重金属废水时，需选择具有较高选择性的萃取剂，且要求在萃取操作时注意选择水相酸度。虽然萃取法有较大优越性，但溶剂在萃取的过程中的流失和再生过程中能源消耗大，使得该方法具有一定的局限性，应用也因此受到了很大的限制。离子交换法离子交换处理法是利用离子交换剂分离废水中有害物质的方法，当含重金属的液体通过交换剂时，交换剂上的离子同水中的重金属离子进行交换，从而达到去除水中重金属离子的目的。目前应用的离子交换剂主要有离子交换树脂、沸石、膨润土、离子交换纤维等。膜分离法膜分离技术是利用一种特殊的半透膜，在外

9、界压力的作用下、不改变溶液化学形态的基础上，将溶液和溶质进行分离或浓缩的方法。膜分离用于处理重金属废水，由于去除率高，选择性强，在常温下操作无相态变化，能耗低、污染小，自动化程度高等优点，已经受到了人们的广泛重视并产生了很高的经济效益。在实际应用中主要有微滤膜（截留直径在50nm左右）、纳滤膜（截留直径在0.1lnm之间）、超滤膜（截留直径在150nm之间）、电生物膜等。近年来，膜技术得到了广泛的应用，已经实现了规模化的生产，在生产中主要有陶瓷膜、电生羟基膜等种类，根据不同处理需要可生产出不同直径的膜产品，其生产成本也不尽不同。由于在应用中为了膜的再生，需要在处理过程中对膜进行反冲洗以增加膜的

10、使用寿命，从而使得其生产成本增加。另外，由于本身对生产工艺要求很高，所以其在应用推广中受到了限制6。生物修复法生物修复法指借助微生物或植物的絮凝、吸收、积累、富集等作用去除废水中重金属的方法，其中包括生物絮凝、生物化学法和植物生态修复等。生物絮凝法生物絮凝法是利用微生物或微生物产生的代谢物进行絮凝沉淀的一种除污方法11。微生物絮凝剂是一类由微生物产生并分泌到细胞外、具有絮凝活性的代谢物，一般由多糖、蛋白质、DNA、纤维素、糖蛋白和聚氨基酸等高分子物质构成，分子中含有多种官能团，能使水中胶体悬浮物相互凝聚沉淀。生物絮凝法具有许多优点，例如处理废水安全、方便且无毒，不产生二次污染，絮凝效果好等等。

11、但当前也存在着生产成本较高、活体絮凝剂保存困难、难以进行工业化生产等难题，因此大部分生物絮凝剂还处于探索研究阶段。植物修复法植物修复法是指利用植物通过吸收、沉淀和富集等作用降低被污染土壤或地表水的重金属含量，以达到治理污染、修复环境的目的。利用植物处理重金属，主要由三部分组成：从废水中吸取、沉淀或富集有毒金属；降低有毒金属活性，从而减少重金属被淋滤到地下或通过空气载体扩散；将土壤中或水中的重金属萃取出来，富集并输送到植物根部可收割部分和植物地上枝条部分，通过收获或移去已积累和富集了重金属植物的枝条，降低土壤或水体中的重金属浓度。植物修复法具有实施较简便、成本较低和对环境扰动少的优点，不仅可以净

12、化和美化环境，而且在清除土壤中重金属污染物的同时，可以从富含重金属的植物残体中回收贵重金属，取得直接的经济效益。但其存在的缺点是治理效率较低，不能治理重污染土壤，且一种植物只吸收一种或两种重金属，难以全面清除土壤中的所有污染物。另外施加有机螯合剂虽能增强对重金属的富集能力，却可能会造成有毒元素地下的渗漏，形成潜在的污染风险，且增加了运行成本。总之，植物修复技术作为一种新的污染治理替代技术，尽管具有极大的潜力和市场前景，但目前主要还停留于实验室模拟研究阶段。综上所述，考虑本校实验室的实验条件，本研究拟定选取吸附法处理重金属废水的研究为方向，综合考虑市场应用情况及成熟程度，以及采购是否方便等实际情

13、况，本研究确定活性炭为本次研究的吸附剂。活性炭处理重金属的吸附机理活性炭处理重金属主要是靠吸附作用，目前认为，活性炭对重金属离子的吸附机理主要是重金属离子在活性炭表面的离子交换吸附，同时还有重金属离子与活性炭表面的含氧官能团之间的化学反应吸附、金属离子在活性炭表面沉积而发生的捕集物理吸附12。但有外国学者认为活性炭对重金属的吸附不仅仅是一个简单的离子交换过程，活性炭上各种活性位点对重金属的吸附也是一个重要的原因，同时金属阳离子和活性炭表面的阴离子间的静电引力也起了一定的作用。还有学者13认为活性炭对重金属的吸附行为，可以用表面络合吸附模式描述，活性炭颗粒表面各种含羟基的集团与溶液中离子的各种形

14、式形成表面络合而将其吸附。活性炭处理重金属的吸附平衡模式Freundlich模式和Langmuir模式活性炭对重金属的吸附模式可以用Freundlich模式和Langmuir模式来模拟，这两种模式也是最常见的经典经验模式。这两种模式主要是依靠大量的实验结果而提出的数学模式，因其形式比较简单，计算也较方便，并且能化成某一线性方程进行作图拟合而被广泛应用。石太宏等对活性炭吸附Zn2+的热力学及其机理进行了研究，他们发现在稀溶液中吸附Zn2+符合Langmuir模式。王桂芳口2等发现在其实验条件下活性炭对Cu2+、Ni2+、Fe3+的吸附符合Langmuir模式，且Freundlich模式也能很好地

15、拟合其实验结果。陈芳艳14等研究发现活性炭纤维对Cu2+、Ni2+、Cd2+的吸附符合Langmuir模式。同时Freundlich模式也可以较好地拟合这三种金属离子在活性炭纤维上的等温吸附数据。张淑琴15等发现铅镉铜金属离子在活性炭上的吸附行为遵循Langmuir模式，且在所考察的浓度范围内，吸附行为又符合Freundlich模式。张克荣a等发现活性炭对锰有很强的吸附作用，吸附具有一定的选择性，并且吸附作用符合Freundlich模式。Freundlich模式和Langmuir模式的应用十分广泛，其优点是十分显著的，但它们同时也含有一些缺点：这两种模式的参数通常是通过实验在特定的条件下得到的

16、，不具有普遍适用性，只能在有限的范围内才能运用。另外，它们都没有明确的物理意义，即使在其适用的范围内，也只能概括地表达一部分实验事实，并不能说明吸附作用的机理。表面络合模式表面络合模式是基于溶液中配位化学反应平衡理论把金属阳离子在活性炭表面上的吸附看成是活性炭上的官能团羟基与金属阳离子之间的化学反应，常用溶液中络合反应类似的方法处理这一表面过程。已经提出的许多表面络合模式中具有代表性的主要有恒定容量模式(CCM)，扩散层模式(DLM)以及三层模式(TLM)Ml。有学者发现TLM模式不仅能描述各种情况下H型活性炭对重金属的吸附情况，而且还能描述在多个金属离子共存的条件下H型活性炭对重金属的吸附情

17、况，TLM模型能成功地模拟出当溶液中没有表面沉积作用时活性炭对部分重金属离子的吸附去除。然而，表面络合模式的计算十分复杂而繁琐，并且需要应用计算机来进行多组分多相的复杂计算，因而也限制了表面络合模式的应用。活性炭吸附重金属效果的影响因素主要从单个金属离子废水(溶液)的角度讨论对活性炭吸附的处理效果的影响因素，包括活性炭用量，pH值，初始浓度，吸附时间，温度，共存离子等。活性炭用量活性炭的用量对吸附有一定的影响。对于相同的溶液，随着活性炭用量的增加，各种离子的吸附效率随之增加，吸附效果也随之增强，被吸附离子的相对浓度随之降低，但它的单位吸附量呈现减小的趋势。因为当原水中浓度一定时，吸附剂量增加，

18、可供吸附的活性位随之增多，吸附剂上吸附的吸附质绝对量增加。而达到吸附平衡时，吸附质的平衡浓度降低，因而吸附去除率升高，但吸附容量却随着吸附剂量增加而降低，其原因是吸附剂量增加，平衡浓度降低，按照吸附平衡规律q=kCe，吸附容量也随之下降。1.5.2pH值pH值对活性炭与金属离子之间的亲合力有着非常重要的影响，通常情况下，在一定范围内（临界pH值以下），随着溶液中pH值的增加，活性炭对金属离子的吸附量也在增加。当溶液的pH值升高后，活性炭表面官能团被质子化，从而表面电势密度降低，金属阳离子与活性炭表面的静电斥力减少，因此吸附量增加。同时，由于活性炭表面的官能团为弱酸性，当溶液pH值升高后，活性炭

19、上负电势点增多，因而吸附量增多。但是，当pH值超过一定限值时，随着pH值继续增大，溶液中的OH-与金属离子的化学作用力增大，导致金属氢氧化物沉淀的生成，从而导致吸附量的相对下降。许多学者18-19研究发现在酸性溶液中活性炭对重金属的吸附能力增加，但在碱性溶液中其吸附能力相对较低，酸性溶液比碱性溶液有利于活性炭对重金属的吸附去除。一般而言，不同的金属阳离子存在不同的最佳pH值或pH值范围。溶液初始浓度根据EDL（双层静电）理论，当溶液的初始浓度增加，金属离子的去除率降低。活性炭的吸附位点是固定不变的，对金属离子的吸附量也是固定的，因此当金属离子的初始浓度增加后，去除率降低。但是张萃18等研究发现

20、，用活性炭处理含砷废水时，随着溶液中砷的初始浓度的增加，砷的去除率逐渐增加，但初始浓度增加到一定程度后，去除率反而随着浓度的增加有所下降。因此，可以断定，初始浓度对活性炭的处理效果必定有影响，但具体影响视不同的重金属离子而定。吸附时间在活性炭的吸附过程中，振荡时间对吸附效果也有较大的影响。溶液中的吸附质占据活性中心是一个渐进的过程，即需要一定的时间来使吸附达到平衡，这一段时间即所谓的吸附平衡时间。只有达到了吸附平衡时间，活性炭才能最大限度的发挥效能。重金属离子在活性炭上的吸附容量均随吸附时间的增加而增加，但当吸附时间达到一定数值时则基本不变。开始时吸附容量上升很快是因为此时重金属离子在活性炭上

21、的吸附主要发生在外表面上，随着吸附的进行，吸附质逐渐由大孔经过过渡孔深入到微孔中，重金属在内孔中传质速度逐渐减慢，吸附容量随时间缓慢增加，直至达到吸附平衡。温度活性炭对重金属的吸附作用实际为吸附和脱附两个过程的竞争，一般吸附是放热过程，低温有利；而脱附是吸热过程，高温有利。张淑琴14等研究发现，低温时温度对吸附容量影响不大，而且对重金属的吸附可达到很好的效果，而当溶液温度较高(高于50C)时，液相吸附热虽然较小，但是由于分子热运动的加剧，导致对吸附平衡的破坏，吸附容量有所减小，表现为物理吸附性能的特性。在实际生产生活中，一般废水的温度变化不大，因而温度对活性炭吸附含重金属离子废水的影响不大。共

22、存离子共存离子为重金属离子有学者在对当pH值=3时，由核桃壳制成的活性炭对一系列单个重金属溶液等温吸附的研究中发现：Hg2+，CN+和Cu2+与活性炭吸附位点具有较高的亲和性。Ni2+,Cd2+，Ca2+，Sr2+，Zn2+，Co2+，Mn2+，Mg2+和K+与活性炭吸附位点的亲和性较弱。Na+不能被活性炭吸附。因此，根据金属离子与吸附位点的亲和性将金属分为3类：强亲和性：Hg2+，Cr3+和Cu2+；中等亲和性：Ni2+，Cd2+，Ca2+，Sr2+，Zn2+，Co2+，Mn2+，Mg2+和K+；弱亲和性：Na+。张萃18等实验发现在活性炭同时吸附铬砷时，砷的去除率峰值要比单独吸附砷的去除率

23、高，这说明Cr(W)的存在诱发了活性炭对砷的吸附。共存离子为有机物活性炭对有机物的吸附去除主要是物理吸附过程，但对重金属离子却是比较复杂，除了物理吸附以外，还可能存在化学吸附。有机物和金属离子共存的两相溶液中，物理吸附过程和化学吸附过程同时发生，但物理吸附过程更为重要。因此，重金属离子的存在不会影响活性炭对有机物的吸附，但有机物的存在却能严重影响活性炭对重金属的吸附。其他因素除了以上因素，活性炭种类、活性炭颗粒的大小以及溶液离子强度等都会影响活性炭对单个重金属离子溶液的吸附效果。另外，活性炭表面是否改性对活性炭的吸附效果也有很大的影响，张建策20等发现经浓硝酸改性后的活性炭具备了很强的吸附金属

24、离子的能力，其吸附容量也要大得多，改性后的活性炭与原活性炭相比，对Pb2+的饱和吸附量提高了一百多倍。第二章实验部分2.1实验试剂本实验采用自行配制的溶液，实验所需试剂及药品列于表2-1表2-1主要实验试剂及药品表试剂名称等级规格生产单位活性炭/3CdSO8HO42AR广东汕头市西陇化工厂CuSO5HO42AR天津市光复精细化工研究所HNO3AR广东汕头市西陇化工厂NaOHAR广东汕头市西陇化工厂H2SO424AR湖南省株洲市化学工业研究所2.2实验仪器与设备本实验所采用的主要实验仪器见表2-2。表2-2主要实验仪器及设备表实验仪器与设备型号生产单位数显恒温气浴振荡器THZ-C金坛市鑫鑫实验仪

25、器厂电热恒温鼓风干燥箱DHG-9146A上海精宏实验设备有限公司数显酸度计PHS-3C杭州雷磁分析仪器厂原子吸收分光光度计WYX-9003A沈阳分析仪器厂2.3实验方法溶液的配置本实验主要研究活性炭对重金属离子Cd和Cu的吸附性能情况及影响因素。实验前期将待用实验试剂配制好，备用。称取药品3CdSO48H2O0.2292g,CuSO45H200.3906g,加蒸馏水溶解后，移至1000ml容量瓶中定容，备用。活性炭的预处理本实验采用的吸附剂为活性炭颗粒，在使用前应先经过预处理。处理方法：将一定量的活性炭用盐酸、蒸馏水洗净后加蒸馏水煮沸，沸腾20min,然后冷却至室温，置于干燥箱中，在105C下

26、恒温干燥24h。实验步骤(1)绘制含铜离子和含铬离子溶液的标准曲线。配制浓度分别为0.2mg/l、0.4mg/l、0.8mg/l、1.0mg/1的含Cu2+溶液共4份，在波长为324.7nm，狭缝为2.0，电压为292V，电流为4.77A的条件下用原子吸收分光光度计测定其吸光值，绘制标准曲线。配制浓度分别为0.2mg/l、0.4mg/l、0.8mg/l、l.Omg/1的含Cd2+溶液共4份，在波长为229.1m，狭缝为2.0,电压为289V，电流为5.52A的条件下用原子吸收分光光度计测定其吸光值，绘制标准曲线。分别配制100ml浓度为10mg/1的含Cu2+溶液和含Cd2+溶液各9份，每份中

27、加入已经过预处理的活性炭2g(0.003g),两种不同金属离子的溶液试样分别在10C、20C、25C、30C、35C、40C、45C、50C、55C的温度下振荡5h,然后过滤，应保证滤液澄清，以避免影响后续操作。再用原子吸收分光光度计测定活性炭对Cu离子和Cd离子的吸附效果。分别配制100ml浓度为10mg/1的含Cu2+溶液和含Cd2+溶液各7份，每份中加入已经过预处理的活性炭2g(0.003g)。调节溶液的pH值，以探寻最佳pH值。调节7份CdSO4溶液的pH值分别为2.0、3.4、4.0、5.6、7.3、8.3、10.2,7份CuSO4溶液的pH值分别为2.0、3.6、4.4、5.4、6

28、.5、8.1、10.3。将调好pH值的溶液在常温下(25C)振荡5h,然后过滤，再用原子吸收分光光度计测定活性炭对Cu离子和Cd离子的吸附效果。根据前两组实验结果，选定温度(常温25C)及pH值(Cu2+为6.8),测定吸附时间和不同起始浓度对活性炭吸附效果的影响。配制100ml浓度分别为2mg/l,4mg/l、6mg/l、8mg/l、10mg/l、12mg/l的含Cu2+溶液各6份，调节pH值至6.8(0.04),每份中加入已经过预处理的活性炭2g(0.003g),将恒温振荡器调至实验温度，开始振荡。每种浓度的6份试样分别于50min、100min、200min、300min、350min、

29、400min取出过滤，滤液用原子吸收分光光度计测定。根据前两组实验结果，选定温度(常温25C)及pH值(Cd2+为7.5),测定吸附时间和不同起始浓度对活性炭吸附效果的影响。配制100ml浓度分别为2mg/l,4mg/1的含Cd2+溶液各6份，调节pH值至7.5(0.04),每份中加入已经过预处理的活性炭2g(0.003g),将恒温振荡器调至最佳温度，开始振荡。每种浓度的6份试样分别于50min、100min、200min、300min、350min、400min取出过滤，滤液用原子吸收分光光度计测定。再配制浓度分别为6mg/l、8mg/l、10mg/l、12mg/1的含Cd2+溶液各6份，操

30、作同上。每种浓度的6份试样分别于50min、150min、250min、350min、400min、450min取出过滤，滤液用原子吸收分光光度计测定。第三章实验结果与讨论3.1吸附标准曲线实验测得的不同浓度的CuSO4标准溶液及CdSO4标准溶液的吸光值，将吸光值与各溶液的浓度做曲线，得到标准曲线，见图3-1，图3-2。图3-2CdSO4标准溶液吸附标准曲线说明：实验中因原子吸收分光光度计仪器中途检修，在检修后继续实验时，重新配置的CdSO4标准溶液，故CdSO4标准溶液有两条标准曲线。从图3-1及图3-2中可以看出，两种溶液的浓度与吸光值呈现出线性相关，浓度越大，吸光值越大。根据两图中的线

31、性方程，已知待测溶液的吸附值，可以算出溶液的相关浓度，从而得到活性炭吸附重金属离子处理的去除率。3.2温度对吸附效果的影响本实验进行了最适温度的探寻。根据所查资料，以及从实际生产中的情况来考虑，选取实验温度段为10C、20C、25C、30C、35C、40C、45C、50C、55C。将实验结果绘制成图，不同温度下活性炭吸附CuSO4溶液以及CdSO4溶液的实验结果分别见图3-3及图3-4。由图3-3和图3-4可知，随着温度的增加，溶液中重金属离子的浓度增大，故随着温度的增加，活性炭的吸附作用减弱，吸附量逐渐减少。这是因为吸附一般是放热过程，而脱附是吸热过程，低温有利于吸附，高温有利于脱附。从图中

32、可以看到，低温时，溶液中重金属离子浓度较小，活性炭的吸附容量较大，对重金属的吸附可达到很好的效果。而随着温度的增加，尤其是当溶液温度较高（高于50C时），溶液中重金属离子的浓度增大，活性炭的吸附作用减弱、吸附容量减小。这是因为较高温度时液相吸附热虽然较小，但是由于分子热运动的加剧，导致对吸附平衡的破坏，活性炭吸附容量大大减小，即溶液中重金属离子的浓度增大，这与有关学者的研究结果是相类似的。由此也可以看出，活性炭吸附重金属离子表现为物理吸附性能的特性。为了实验操作的方便性以及节约能耗，本研究后续实验部分Cu2+的吸附实验和Cd2+的吸附实验均采用25C。从图3-3和图3-4中中可看到，温度为10

33、C25C时，活性炭的吸附容量变化均很小，因此采用25C是可行的。3.3pH值对吸附效果的影响从参考资料中我们发现,pH值对活性炭与金属离子之间的亲合力有着非常重要的影响，通常情况下，在一定范围内（临界pH值以下），随着溶液中pH值的增加，活性炭对金属离子的吸附量也在增加，但是，当pH值超过一定限值后，活性炭的吸附量会下降。因实验条件有限，pH值不能调至精确值，但对研究pH值对活性炭吸附的影响已经足够。研究pH值对活性炭吸附的影响的实验结果见图3-5和图3-6。由图3-5可知，随着pH值的增加，CuSO4溶液中重金属离子浓度减小，即活性炭对重金属离子的吸附作用增大、吸附量增强。这是因为当溶液的p

34、H值升高后，活性炭表面官能团被质子化，从而使表面电势密度降低，金属阳离子与活性炭表面的静电斥力减少，因此吸附量增加。同时，由于活性炭表面的官能团为弱酸性，当溶液）H值升高后，活性炭上负电势点增多，因而吸附量增多。但当pH值增大到碱性时，随着pH值增大，溶液中重金属离子浓度增大，即活性炭的吸附作用有所减弱，吸附量有所降低。这是因为随着pH值继续增大，溶液中的0H-与金属离子的化学作用力增大，导致金属氢氧化物沉淀的生成，从而引起吸附量的相对下降。这与许多学者得出的“酸性溶液中活性炭对重金属的吸附能力增加，但在碱性溶液中其吸附能力相对较低，酸性溶液比碱性溶液有利于活性炭对重金属的吸附去除”的结论是一

35、致的。根据图3-5可以确定，活性炭吸附CuSO4溶液的最佳pH值大致为6.8。由图3-6可知，随着pH值的增加，CdSO4溶液中重金属离子浓度缓慢减小，即活性炭的吸附作用缓慢增大。这是因为在pH值很小的时候，溶液中存在大量的H+离子，溶液中的H+会跟活性炭表面的含氧活性官能团结合，改变活性炭表面的亲和性，占据活性炭的有效活性中心，使重金属离子没有充分被吸附，所以吸附量相对较低。随着溶液pH值的逐渐升高，跟活性炭表面官能团结合了的H+会发生离解，使得大量的活性中心暴露在外面，重金属离子将占据这些活性中心而被有效吸附，所以吸附量随着pH值的增大而增大。但当pH值增大到碱性时，随着pH值增大，溶液中

36、重金属离子浓度缓慢增大，活性炭的吸附作用有所减弱，吸附量有所降低。这是因为溶液中的0H-与金属离子的化学作用力增大，导致金属氢氧化物沉淀的生成从而引起吸附量的相对下降。根据上图可以得到活性炭吸附CdSO4溶液的最佳pH值大致为7.5。3.4吸附时间对吸附效果的影响本实验为探究吸附时间及初始浓度对吸附效果的影响，共进行了初始浓度分别为2mg/l、4mg/1、6mg/1、8mg/1、10mg/1、12mg/l的CuSO4溶液和CdSO4溶液的吸附平行实验6组。计算CuSO4溶液中Cu2+剩余浓度采用的公式为y=0.0167x+0.0002,其中y为吸光值,x为溶液浓度(mg/l)。对于CdSO4溶

37、液而言，其中前三种浓度为一小组，使用CdSO4标准溶液吸附标准曲线(A)的公式y=0.056x-0.0028(y、x含义同上)进行计算，后三组使用CdSO4标准溶液吸附标准曲线(B)的公式y=0.0345x+0.1039(y、x含义同上)进行计算。实验结果分别列于图3-7，图3-8。吸附时间（min）图3-7活性炭吸附不同初始浓度的CuSO4溶液从图3-7可看出，活性炭吸附初始浓度为2mg/l、4mg/l、6mg/l、8mg/l、10mg/l、12mg/l的CuSO4溶液时，均呈现出前50min时溶液中Cu2+的浓度下降很快、活性炭吸附容量上升很快的趋势，这主要是因为此时重金属离子在活性炭上的

38、吸附主要发生在外表面上。随着吸附的进行，吸附质逐渐由大孔经过过渡孔深入到微孔中，重金属在内孔中传质速度逐渐减慢，吸附容量随时间缓慢增加，此时溶液中的Cd2+的浓度缓慢降低，直至达到吸附平衡。达到平衡的时间大约为400min。吸附时间（min）吸附时间（min）(B)图3-8活性炭吸附不同初始浓度的CdSO4溶液由图3-8可知，活性炭吸附初始浓度为2mg/l、4mg/l、6mg/1、8mg/1、10mg/1、12mg/l的CdSO4溶液时，均呈现出前50min时吸附容量上升很快，溶液中Cd2+的浓度下降很快的趋势，这主要是因为此时重金属离子在活性炭上的吸附主要发生在外表面上。随着吸附的进行，吸附

39、质逐渐由大孔经过过渡孔深入到微孔中，重金属在内孔中传质速度逐渐减慢,吸附容量随时间缓慢增加，此时溶液中的Cd2+的浓度缓慢降低，直至达到吸附平衡。达到吸附平衡的时间也是400min左右。初始浓度对吸附效果的影响将活性炭吸附初始浓度为2mg/l、4mg/l、6mg/l、8mg/l、10mg/l、12mg/l的CuSO4溶液和CdSO4溶液的最终去除效率计算出来，并作图，分别列入图3-9和图3-10中。图3-9图3-9活性炭吸附不同初始浓度CuSO4溶液的去除率)验率除去子离铜图3-10图3-10活性炭吸附不同初始浓度CdSO4溶液的去除率)率除去子离镉从图3-9和图3-10可知，当投入的活性炭的

40、量为定值时，随着初始浓度的增加，活性炭对CU2+和Cd2+的去除率均逐渐降低。这是因为活性炭的吸附位点是固定不变的，对金属离子的吸附量也是固定的，因此当金属离子的初始浓度增加后，其去除率降低。由图3-9可知，当CuSO4溶液浓度较低(v4mg/l)时，活性炭对其重金属离子的去除率可达到91%左右，但活性炭处理较高浓度(8mg/l)的CuSO4溶液时，Cu2+的去除率仅40%至50%。由图3-10可知，活性炭颗粒处理较低浓度(8mg/l)的CdSO4溶液时，仅50%至60%的去除率。吸附性能及机理分析静态吸附容量是描述和预测活性炭的吸附性能的重要指标，因此可以根据活性炭吸附前后样品浓度的变化，选

41、用Langmuir模型和Freundlich模型来进一步分析其吸附性能。在实验条件下，对一系列不同浓度的重金属离子Cu2+和Cd2+进行吸附实验，测试在吸附平衡后相对应的溶液中金属离子浓度，所得数据换算为吸附量，分别绘制吸附等温线。Langmuir等温式由对单一组分的溶质，水处理中常见的吸附等温线有两种形式，其中一种是Langmuir等温式，其标准形式为：C1aCe=+Le(1)(2)qKKeL(1)(2)而吸附量qe计算式如下：Vq(CC)eW0e式中，aL和Kt均为常数；V为溶液的体积；W为活性炭的质量；C和C分别为金属LLoe离子吸附前后的浓度。本实验中V=100ml=0.1l，W=2g

42、，贝则q=0.1/2(CC)=0.05(CC)，对25C时初始eoeoe浓度分别为2mg/l、4mg/1、6mg/1、8mg/1、10mg/1、12mg/1的CuSO4溶液和CdSO4溶液吸附实验数据进行拟合得到Langmuir等温线，见图3-11吸附实验数据进行拟合得到Langmuir等温线，见图3-11及图3-12。图3-11Cu2+的Langmuir等温线从图3-11和图3-12可以看出，金属离子Cu2+及Cd2+在活性炭上的吸附行为遵循Langmuir公式。Freundlich等温式Freunlich等温式也是一种常见的吸附模型，其线性形式为：1gq二1gk+lgCene指数函数形式的

43、经验公式为：q=KC1/nee1式中q为吸附量，计算方法同上；lgK为截距；1为斜率；C为重金属离子吸附后ene的平衡浓度。本实验中V=100ml=0.1l,W=2g,贝则q=0.1/2(CC)=0.05(CC),对25C时初始eoeoe浓度分别为2mg/l、4mg/l、6mg/l、8mg/l、10mg/l、12mg/l的CuSO4溶液和CdSO4溶液吸附实验数据进行拟合得到Freunlich等温线，见图3-13及图3-14。eog!0-1-0.8eog!0-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-0.2-0.4y=0.2236x-0.7232图3-13Cu2+的Fre

44、unlich等温线从图3-13可知，lgK=0.7232，由此可算出K=0.189,又可从图中得知斜率1=0.2236，则由此可得Cu2+的Freunlich的吸附等温式为:nq=0.189C0.2236ee6a-8a00.40.200.2-0.20.40.4y=0.235x0.60.816a-8a00.40.200.2-0.20.40.4y=0.235x0.60.810.7161eos!0.60.811.2lgCe图3-14Cd2+的Freunlich等温线从图3-14可知，lgK=0.7161，由此可算出K=0.1923,由此可得Cd2+的Freunlich的吸附等温式为：q=0.1923

45、C0.235ee从图3-13及图3-14还可知，在考察的温度及浓度范围内模型。1又因为斜率一=0.235,则n吸附行为又符合Freundlich第四章结论与展望4.1结论低温时，活性炭的吸附容量较大，对重金属离子CU2+和Cd2+的吸附可达到很好的效果。而随着温度的增加，尤其是当溶液温度较高(高于50C)时，活性炭的吸附作用减弱、吸附容量减小。活性炭吸附重金属离子表现为物理吸附性能的特性。在一定pH值范围内(通常为酸性至中性)，随着溶液pH值增大，活性炭对重金属离子Cu2+和Cd2+的吸附量也增大。当pH值超过一定限值时，随着pH值继续增大，其吸附量相对降低。随着吸附时间的增加，活性炭的吸附量

46、逐渐增大，开始时溶液中重金属离子Cu2+和Cd2+的浓度下降很快，即活性炭吸附容量上升很快，随着吸附的进行，活性炭吸附容量随时间缓慢增加，直至达到吸附平衡，且其达到吸附平衡的时间大致为400min。当投入的活性炭的量为定值时，随着初始浓度的增加，活性炭对Cu2+和Cd2+的去除率均逐渐降低。活性炭颗粒处理较低浓度(v4mg/l)的CuSO4溶液和CdSO4溶液时，去除率均可达90%左右，但处理较高浓度(8mg/l)的溶液时，仅40%至60%的去除率。金属离子Cu2+及Cd2+在活性炭上的吸附行为遵循Langmuir模式，同时，在考察的温度及浓度范围内，活性炭对两种金属离子的吸附行为又符合Fre

47、undlich模型。4.2建议本实验中采用的活性炭为直接购买的活性炭颗粒，仅经过了较简单的处理，其粒径不统一，这势必会对实验结果产生影响，建议以后实验将活性炭碾碎，并经过筛分处理，或者直接购买活性炭粉末。直接用活性炭吸附重金属离子时处理效果不是特别理想，可以采用电化学处理21或其他处理改变活性炭的性能，从而增强其去除重金属离子的效果。4.3展望随着现代科学技术的发展，重金属污染问题日趋严重，活性炭作为一种优良的吸附剂，今后其对重金属的去除研究可以沿着以下方面进行：目前，对活性炭吸附单一金属离子研究较多，而活性炭对多种金属离子共存时的吸附研究则少见于文献中，而在实际的重金属废水中往往是多种金属离

48、子共同存在的，因此活性炭对多种金属离子共存时的吸附研究有着重要的现实意义。由于活性炭的再生成本高，因此可以将微生物固定化于活性炭上以达到延长活性炭的饱和吸附时间的目的，同时也可利用生物吸附来处理重金属废水，目前已经有学者开始了这方面的研究。实验结果显示将微生物固定化于活性炭上后对金属离子有良好的去除效果。参考文献贾燕，汪洋重金属废水处理技术的概况及前景展望J中国西部科技,2007,(4):10-13.施红，努尔东拜，吴云海等活性炭吸附法去除废水中重金属的研究进展J.江苏环境科技,2006,19(2):110-113.杜杰，张诚低成本吸附剂处理含重金属废水的研究进展J.粉煤灰综合利用,2006,

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52、,Young-MiKim.AdsorptionbehaviorsofheavymetalionsontoelectrochemicallyoxidizedactivatedcarbonfibersJ.MaterialsScienceandEngineeringA,2005,(391):121-123.致谢感谢四年来环境工程专业所有老师对我学习和生活上给以的指导和帮助。本论文是在*老师的悉心指导下完成的，从论文的选题，到实验的设计实施，再到最终论文的写作，每一步都凝聚着他的心血和汗水。他认真的治学态度，敏锐的思维、高瞻远瞩的研究精神以及丰富的实践经验，无不令我敬佩不已；他不仅在学业上给予我孜孜不

53、倦的指导，在生活上也给予了我无微不至的关怀，同时也让我领悟了许多为人处世的道理，这些都将成为我人生中宝贵的财富。同时，我也非常感谢实验时同组成员对我的帮助。最后在论文完成之际，谨向恩师表示我最诚挚的感谢！祝愿老师身体健康，合家欢乐，工作顺利，万事如意!附录:文献翻译电化学氧化的活性炭吸附重金属离子行为的研究苏朴辰,杨米金高级材料师，韩国化学工艺研究协会，107号邮政邮箱,宇松,大田市305-600,韩国首尔摘要在这项工作中，活性炭纤维(ACFs)的电化学氧化处理的影响被用于研究其对重金属的吸附行为上。结果，酸性的或基本的阳极氧化处理导致了其对Cr(VI),Cu(II),和Ni(II)的吸附作用

54、的增强，这可能是ACF表面含氧官能团的结果。关键词：活性炭纤维；电化学处理；表面性能；重金属离子；吸附(作用)1.简介与传统的颗粒状或粉末状的活性炭相比，活性炭纤维(ACFs)因其巨大的表面积、多微孔特性和很快的吸附/解吸速率被作为极好的吸附剂而广泛使用。1另外，活性碳纤维(ACFs)的微观结构在活化过程中得到了发展，同时还受许多因素的影响，例如活化的程度及其使用时的条件。2炭质吸附剂的吸附/解吸速率很大程度上不仅取决于微孔的结构，还取决于其表面性能。3总的来说，在电解质中用电化学氧化处理后的碳棒，在其表面能发生微观结构和表面(性能)的变化。电化学氧化处理有利于使ACFs表面获得相对而言较多的

55、含氧官能团。4在这项研究中，通过用酸性或基本的电解质进行电化学氧化处理对ACFs进行改良，以获得含氧官能团，本文将对ACFs经过电化学氧化处理后对重金属的吸附行为进行研究。实验部分先用去离子水清洗以树脂为基础的活性碳纤维(ACFs)(束状，Kureha),然后在80C恒温条件下干燥24h(未经处理的ACFs)。所有的其他化学药品在分析阶段之前从奥德里奇化学药品公司购买，并按原样使用。ACFs分别在质量分数为10%的H3PO4(A-ACFs)和NH4OH(B-ACFs)的水溶液中进行电解反应(电解时)ACFs相当于阳极，吸引电解液中的负离子到ACFs的表面，在电解液中同时还有阴极石墨板，整个AC

56、Fs的表面处理过程在电子浴池7A的条件下进行，持续10分钟。从电解池中取出的已处理过的ACFs，于110C恒温干燥6小时。采用勃姆式滴定法来测量ACFs的表面性质，ACFs的比表面积和微孔结构通过在77K的条件下测量其对氮的吸附效率来评价(微粒学，ASAP2010)。在150m1浓度为20ppm的Na2CrO44H2O,CuCJQO,以及NiCl26H2O三种溶液中分别加入0.05g活性炭纤维(ACFs),每个反应瓶均用石蜡膜密封，然后振荡。重金属离子的吸附总量通过电感耦合等离子体-原子发射光谱仪来测量(ICP-AES，Jovin-YvonUltima-C)。结果与讨论许多文献中均描述了对碳的表面性能的研究。基本的活性炭纤维(ACFs)与经过酸化处理的活性碳纤维(ACFs)的表面性