改性糠醛渣对废水中镍离子的吸附性能

任广军，邢 琦，王晓朋

(沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳 110159)

引 言

镍广泛用于电镀、催化、电池以及功能材料等领域，镍的大量使用不仅加快了镍资源的消耗也对生态环境造成了严重污染［1］。目前处理含镍废水多采用离子交换法、活性炭吸附法、化学沉降法及电解法等［2-5］。其中吸附法以其高效率、低成本、易操作和无二次污染等优点成为研究的热点，其中尤以吸附剂的研究备受关注。

糠醛渣是以玉米芯为原料，经高温水解提取化工原料糠醛后得到的固体废渣，该渣具有较大的比表面积和丰富的微孔结构，对水中污染物有很好的吸附作用［6-7］。将糠醛渣用于废水处理，可以达到以废治废的目的，实现社会效益、经济效益及环境效益的统一。本文研究了改性糠醛渣对废水中镍离子的吸附性能。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

实验仪器为WYX-9003 A型火焰原子吸收分光光度计;SHY-2A型水浴恒温振荡器;800型离心沉淀器;PHS-3C型精密酸度计。

试剂为柠檬酸(上海化学试剂有限公司)、异丙醇和氢氧化钠等，均为分析纯。

1.2 糠醛渣的改性

采用异丙醇、NaOH和柠檬酸依次对糠醛渣进行处理，以降低糠醛渣中纤维素的聚合度和结晶度，破坏木质素、半纤维素的结合层，脱去木质素，增加有效比表面积，并引入具有配位功能的基团，增加吸附能力。具体改性方法如下:

首先将糠醛渣用清水浸泡后再用蒸馏水洗涤，烘干至质量恒定。将处理好的糠醛渣用研钵粉碎，用20%的异丙醇浸泡24h后抽滤，水清洗至出水无色。将样品置于干燥箱中，在80℃烘干24h。之后加入20%的NaOH溶液，搅拌1h，室温下抽滤后，再加入蒸馏水搅拌45min，在室温下水洗抽滤后，将样品放入80℃干燥箱中烘干24h，后将其浸入一定浓度的柠檬酸溶液中，在25℃下搅拌1h，抽滤，在室温下水洗，抽滤后，在80℃烘干箱中烘干24h。粉碎过180μm筛后即得改性糠醛渣吸附剂。

1.3 吸附实验

在一组200mL锥形瓶中，分别加入 50mL ρ(Ni2+)=20mg/L的废水和准确称量的改性糠醛渣，在振荡器上振荡吸附一定时间后取出，用微孔滤膜过滤，用火焰原子吸收分光光度计测滤液的吸光度，计算滤液中镍离子质量浓度及改性糠醛渣吸附镍离子平衡吸附量qe:

式中:qe为平衡吸附量，mg/g;ρ0为镍离子初始质量浓度，mg/L;ρ为吸附平衡镍离子质量浓度，mg/L;V为定容体积，L;m为改性糠醛渣的加入质量，g。

2 结果与讨论

2.1 pH对吸附的影响

在改性糠醛渣加入质量为0.02g，θ为25℃，吸附振荡t为30min的条件下，考查溶液pH对改性糠醛渣吸附的影响，结果见图1。由图1可见，pH对吸附镍影响很大，当pH＜3时改性糠醛渣对镍吸附量小，随着pH的增大其吸附量逐渐增加，pH=7时吸附量最大，为19.56mg/g，再提高pH，吸附量先下降后上升。可见，强酸性及碱性条件下均不利于吸附镍，弱酸性及中性条件下利于吸附镍。因此，本次实验选取pH=7。

图1 pH对吸附镍的影响

2.2 振荡时间对吸附的影响

在改性糠醛渣加入质量为0.02g，θ为25℃，溶液pH为7的条件下，考查吸附振荡时间对改性糠醛渣吸附镍离子的影响，结果见图2。从图2可以看出，在吸附前30min，吸附量迅速上升，从17.23 mg/g增加到19.01mg/g;30min后随着时间的增加，吸附量趋于平衡。这种现象可能是因为开始快吸附是一种表面作用，吸附速度较大;接着的慢吸附则是水中镍离子向糠醛渣的内部迁移、扩散，这一过程的速度较小。因此，确定改性糠醛渣对镍离子吸附t为30min。

图2 时间对糠醛渣吸附镍的影响

2.3 吸附剂质量对吸附的影响

在θ为25℃，溶液pH为7，吸附振荡t为30min的条件下，考查改性糠醛渣加入质量对吸附镍离子的影响，结果见图3。由图3可以看出，当改性糠醛渣质量从0.005g增加到0.020g时，吸附量逐渐升高，糠醛渣对镍离子的吸附量从13.44mg/g增加到17.99mg/g。但当糠醛渣质量大于0.02g时，吸附量变化不明显。说明随着吸附溶液中改性糠醛渣质量的逐渐增加，吸附量逐渐增加，此时吸附量提高的原因是吸附剂量的增加一方面增大了吸附表面积，另一方面增加了参与吸附的官能团数目。综合考虑，确定改性糠醛渣对镍离子的吸附质量为 0.02g。

图3 改性糠醛渣质量对吸附镍的影响

2.4 糠醛渣吸附镍离子的等温线

在50mL镍离子初始质量浓度分别为12.5、15.0、17.5、20.0、22.5 和 25.0mg/L 的溶液中加入0.02 g改性糠醛渣，在 T分别为 298、308、318K 条件下进行吸附实验。当吸附达到平衡时，采用本文1.3所述的方法测定溶液中镍离子的剩余质量浓度ρe，并计算镍离子在改性糠醛渣中的吸附量qe。以吸附量qe(mg/g)对平衡时水中镍离子的质量浓度ρe(mg/L)作图，得到等温吸附曲线，如图4所示。由图4可见，随着镍离子平衡质量浓度的增大，平衡吸附量增加。

图4 吸附等温线

采用Langmuir等温方程和Freundlich等温方程对图4实验数据进行回归处理。

1)Langmuir等温方程

式中:qe为平衡吸附量，mg/g;ρe为吸附平衡质量浓度，mg/L;Q0(mg/g)、KL(L/mg)为 Langmuir常数。

2)Freundlich等温方程

式中:KF［(mg/g)·(L/mg)1/n］，n 为 Freundlich常数。

回归得出的Langmuir和Freundlich等温方程参数见表1。由表1两方程的相关系数R2可知，回归结果呈良好的线性关系，表明Langmuir等温方程和Freundlich等温方程都能很好地描述改性糠醛渣对水中镍离子的吸附。Q0、KF等与吸附量有关的常数都随着吸附温度的升高而增大，表明改性糠醛渣吸附水中镍离子的过程为吸热过程，温度升高有利于吸附进行。

表1 改性糠醛渣对镍离子的吸附平衡模型参数

3 结论

1)改性糠醛渣对镍离子具有很好的吸附能力，在50mL含20mg/L的镍离子废水中，当溶液pH为7，吸附振荡 t为30min，吸附剂质量为0.02g时，改性糠醛渣对水中镍的吸附量为19mg/g左右。

2)分别采用Langmuir和Freundlich等温线模型镍离子吸附实验数据进行拟合。结果显示，在所研究的温度和质量浓度范围内，Langmuir和Freundlich等温方程均适宜描述镍离子在改性糠醛渣上的吸附行为。

3)以糠醛渣作为吸附剂处理含镍废水，是一种有效的方法。该方法实现了以废治废的废物资源化目标，具有良好的社会效益和经济效益。

［1］韦友欢，黄秋婵，苏秀芳.镍对人体健康的危害效应及其机理研究［J］.环境科学与管理，2008，33(9):45-48.

［2］刘存海，韩利萍，赖小娟.电镀铬镍混合废水的絮凝处理［J］.电镀与精饰，2012，34(9):39-42.

［3］宋艳阳，原思国，周从章.弱酸离子交换纤维对含镍废水的吸附性能研究［J］.功能材料，2012，43(15):2014-2107.

［4］张少峰，胡熙恩.脉冲电解法处理含镍废水［J］.环境科学与管理，2011，36(11):91-95.

［5］施银燕，徐玉福，胡献国.化学沉淀法回收化学镀镍废水中镍的研究［J］.电镀与环保，2011，31(5):44-46.

［6］任广军，张春丽，赵军霞，等.糠醛渣对Cr(Ⅵ)的吸附性能［J］.电镀与精饰，2009，31(6):9-11.

［7］任广军，高晓荣.糠醛渣对亚甲基蓝的吸附性能研究［J］.沈阳理工大学学报，2009，28(3):62-65.