活性炭吸附重金属的影响因素研究

活性炭吸附重金属的影响因素研究

重金属污染水体的污染越来越受到重视。过度使用重金属会严重伤害身体，危及生命。活性炭吸附法能有效去除污水中大部分有机物质和某些无机物,一般被应用于处理城市饮用水和工业废水。如何应用活性炭吸附技术对重金属废水进行深度无害化处理,已经成为环境保护工作者研究的重点课题。本文旨在揭示活性炭对重金属离子的吸附去除及吸附机理,从而为重金属废水的处理及活性炭的综合利用开辟途径。1实验部分1.1试剂及仪器五水硫酸铜(分析纯)沈阳市试剂三厂,七水硫酸镍(分析纯)沈阳市试剂一厂。硫酸铁(分析纯)沈阳市试剂一厂,无水乙醇(分析纯)吉林化学工业公司联合化工厂。硫酸(分析纯)沈阳市试剂一厂,盐酸(分析纯)锦州化学试剂厂。巯基乙酸(分析纯)北京市旭东化工厂,氨水(分析纯)沈阳化学试剂厂。邻菲罗啉1.2试验内容1.2.1标准曲线与溶液工作曲线法①硫酸铜标准曲线的绘制。用100mL容量瓶准确配置Cu+浓度为10、20、40、60、80、100mg/L的硫酸铜溶液,然后用PXS-215型离子活度计结合甘汞电极及铜电极分别测出对应的电极电位,然后与浓度相对应绘制标准曲线。②Cu2+在活性炭上吸附时间的确定。取10个装有Cu2+浓度为100mg/L硫酸铜溶液100mL的锥形瓶,向其中均加入0.5g经水洗的活性炭,在调速多用振荡器上以中速振荡,在时间分别为5,10,20,30,60,90,120,150,180,210min时各取下一个锥形瓶经过滤后,取滤液用离子活度计测量其电极电位,并通过标准曲线计算出对应的Cu2+浓度,最后确定平衡时间并绘制吸附速率曲线。③原水pH值对Cu2+在活性炭上吸附的影响。取5个装有100mLCu2+浓度为100mg/L的硫酸铜溶液的锥形瓶,分别用已经配好的盐酸和氢氧化钠溶液调其pH值分别为2.12,3.03,4.11,5.06,6.0。然后分别向其中加入0.5g活性炭并置于振荡器上振荡3h,然后过滤取滤液测其电极电位,来平定pH值对Cu2+在活性炭上的吸附的影响。④吸附容量的测定及吸附等温线的绘制。准确配制Cu2+浓度分别为10,20,40,60,80,100mg/L的硫酸铜溶液,然后各取100mL加入装有0.5g活性炭的锥形瓶中,置于振荡器上振荡3h后取下过滤并测定分别的电极电位,通过标准曲线计算出对应的Cu2+平衡浓度,并计算出吸附容量值,然后以Cu2+平衡浓度和吸附容量绘制吸附等温线。⑤活性炭投加量对Cu2+在活性炭上吸附的影响。向装有100mLCu2+浓度为100mg/L的硫酸铜溶液的锥形瓶中分别加入0.5,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,8.0g活性炭,然后置于振荡器上振荡3h后取下过滤并测定水中Cu2+含量,比较不同活性炭投加Cu2+在活性炭上吸附容量及吸附效率的变化。1.2.2邻菲罗啉乙醇及氯化缓冲溶液配制Ni2+的活性实验步骤与上面Cu2+吸附的研究的步骤基本上相同,只是Ni2+的测定方法有所不同。即0.05g邻菲罗啉与99.95g无水乙醇配制质量百分比为0.05%的邻菲罗啉乙醇溶液。然后用氨水和氯化铵配制pH值为9的缓冲溶液。测定Ni2+浓度时,首先向25mL容量瓶中加入0.7mL邻菲罗啉乙醇溶液和3mL氨水-氯化铵缓冲溶液。然后再加入10mL不同浓度的硫酸镍溶液,用去离子水稀释至刻度线,静置40min后用分光光度计测量其吸光度。1.2.3fe3+浓度Fe2+的活性实验步骤与上面Cu2+吸附的研究的步骤基本上相同的,只是采用显色法用721分光光度计来分析Fe3+浓度。即向100mL容量瓶中加入1mL巯基乙酸,然后再加入90mL硫酸铁溶液,最后用碱式滴定管向其中滴入氨水并不断震荡,直到溶液呈现紫红色为止,并用去离子水稀释到刻度线,然后用分光光度计测量其的透光率。2结果与讨论2.1静态吸附影响因素的研究2.1.1种金属离子的吸附特性从图1中可以看到,三种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,吸附速率都是在开始时很高,然后变化非常缓慢,直至平衡。开始时吸附速度很快是因为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。三种金属离子的吸附速率却不同,铁离子的吸附速率最大,其次为镍离子,铜离子最慢。Fe3+、Cu2+、Ni2+的最佳吸附时间分别为90min,180min,120min。2.1.2活性炭用量的影响由图2可以看到,三种离子在活性炭上的吸附容量均随活性炭投加量的增大而减少,对于相同的活性炭投加量铁离子的吸附容量最高,镍离子次之,铜离子最少。这说明铁在活性炭上的吸附性能好于镍离子和铜离子。活性炭用量是影响吸附效果的一个重要因素。对于一定浓度的铜离子,镍离子和铁离子来说,随着活性炭用量的增加,各种离子的吸附效率也随之增加,因为当原水中浓度一定时吸附剂量增加,可供吸附的活性位增多,吸附剂上吸附的吸附质绝对量增加,则达到吸附平衡时,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,这一点是与有关报道相一致的。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=kCe1/n,吸附容量也随之下降。2.2吸附机的研究2.2.1《汉志》2,3在一定温度下,几种重金属离子在活性炭上的吸附等温线如图1,2,3。图中所示三种金属离子在活性炭上的吸附等温线形状,按照Gibbs等人对溶液吸附等温线的分类,应该属于L2型,可以用Freundlich和Langmuir两种模式进行模拟。2.2.2吸附平衡实验结果实验中对三种金属离子的吸附等温线进行了Freundlich和Langmuir两种模式进行拟合,拟合结果见表1,表2和表3。①Langmuir模式是理想的单分子吸附模式。该模式的线性化形式为:1/qe+1/b—1/ce从上式可以看出1/qe与1/ce成直线关系式中qe为吸附容量,a,b为常数,ce为平衡浓度。从表3中可以看出,用Langmuir模式的线性公式模拟几种离子的吸附平衡实验数据所做的1/qe+1/b～1/ce均呈现良好线性关系,线性相关系数均在0.96以上,这说明Cu2+,Fe3+,Ni2+几种离子在活性炭上的吸附符合单分子层吸附形式。②由于固体表面的不均匀性引起吸附热随着表面覆盖度的增大而减小,Freundlich提出了下面的经验方程:q=kfce1/n该方程式的线性形式:logqe=logkf+1/nlogce其中kf分别Freundlich常数和指数。从表4中可以看出,将吸附平衡实验结果按Freundlich模式做线性拟和结果均为直线,线性相关系数均大于0.96,这说明用Freundlich模式拟和本实验是非常合理的。③我们知道常数k和n可用来反映炭和被吸附物的性质,例如,k和n值较大,表明在整个研究的浓度范围内吸附能力强,k和n值低,在低浓度吸附能力差,而在高浓度时吸附能力强。一般来说k值大,吸附能力强。由表5中可以看到三种离子的1/n值均小于0.5,而且k值较大,说明他们在活性炭上较易于吸附,易于用活性炭吸附的方法除去。3重金属离子在活性炭上的吸附能力(1)pH值、活性炭投加量是影响活性炭从废水中吸附重金属离子的主要因素。吸附容量随着pH值(临界pH值下)增大而增大,吸附容量随着活性炭的投加量增加而降低,但吸附率随活性炭投加量增加而增加。(2)吸附机理为:一是重金属离子在活性炭表面可发生离子交换反应;二是重金属离子与活性炭表面的含氧官能团发生化学吸附;三是重金属离子在活性炭表面沉积而发生的物理吸附。吸附规律可以用Freundlich模式和Langmuir模式较好的拟合,线性相关系数均在0.95以上,说明三种金属离子在活性炭上的吸附属单分子层吸附。(3)三种金属离子在活性炭上的吸附能力大小为:Fe3+>Cu2+>Ni2+,这是因为金属离子在活性炭表面发生的主要是离子交换吸附,哪种离子所