活性炭/粉煤灰处理含铜废水的研究

黄晓丹，薛美香，李先学

(莆田学院 环境与生物工程学院，福建 莆田 351100)

含铜废水是一类由金属电镀、电子、纺织、印染等行业产生的废水，排入到水中，不仅会严重影响水质，而且对环境造成污染［1］。因此，对含铜废水的处理具有重要的研究意义。目前，含铜废水的处理方法有化学法、生物法、膜分离法、离子交换法、吸附法等。化学法是较为传统的处理方法，此法较为简单，但易引起二次污染［2］;生物法使用设备简单，适应性较强，处理费用低，无二次污染，但对铜离子去除效果不高，很难达到所需标准;膜分离法对铜离子去除效果好，能够回收再利用Cu2+且不引起二次污染，但膜易受到污染而失效，处理成本较高［3］;离子交换法的铜离子去除效果较好，但树脂易受到污染或被氧化而失效［4］;吸附法具有操作方便、吸附剂来源广泛、吸附效果好、成本低等优点。因此，吸附法在处理含铜废水中应用较为广泛［5］。

活性炭处理含铜废水的铜离子去除效果非常好，但处理成本较高［6］。近年来，我国每年粉煤灰的排放量已超过1 亿t，但是它的利用率仅为30%左右，造成大量的粉煤灰堆积，严重影响环境［7］。粉煤灰比表面积大，具有良好的物理和化学吸附能力，但用粉煤灰处理含铜废水的处理效率偏低［8］。

本课题以活性炭/粉煤灰处理模拟含铜废水，这不仅能够弥补单纯活性炭处理成本高以及单纯粉煤灰处理效率低的缺点，而且还能解决粉煤灰造成的环境问题，具有实际的应用前景。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

硫酸、硝酸、盐酸羟胺、三氯甲烷、2，9-二甲基-1，10-菲啰啉、氨水、盐酸、五水硫酸铜、柠檬酸钠、甲醇、金属铜、颗粒活性炭均为分析纯;粉煤灰。

CP64 电子分析天平;HJ-3 数显恒温磁力搅拌器;DK-20 超级循环水浴磁力搅拌器;TU-1901 双光束紫外可见分光光度计。

1.2 实验方法

1.2.1 模拟含铜废水的配制 准确称取0.390 1 g的CuSO4·5H2O 于1 000 mL 的容量瓶中，加入去离子水溶解，并滴加5 mL 浓硫酸(防止水解)，定容至刻度，摇匀，即得100 mg/L 的模拟含铜废水［9］。1.2.2 实验方法 250 mL 锥形瓶中加入100 mL模拟含铜废水，加入一定量及一定粒径的粉煤灰和活性炭，在一定条件(吸附时间、pH、吸附温度、投加量、质量比、铜离子浓度)下搅拌吸附处理，抽滤。取滤液，采用2，9-二甲基-1，10-菲啰啉分光萃取光度法测得溶液中的铜离子浓度［10］，计算铜离子去除率及吸附量［7］。

式中 η ——铜离子的去除率，%;

C0——废水中铜离子的初始浓度，mg/L;

Ce——吸附处理后溶液中铜离子的浓度，mg/L。

式中 qe——铜离子吸附量，mg/g;

V——废水的加入体积，mL;

m——活性炭/粉煤灰的投加量，g。

2 结果与讨论

2.1 最大吸收波长的确定

移取10.00 mL 浓度20 mg/L 铜离子标准溶液于分液漏斗中，加入40 mL 去离子水(总体积50 mL)，按2，9-二甲基-1，10-菲啰啉分光萃取光度法测定铜离子络合物的最大吸收波长，结果见图1。

图1 铜离子络合物的吸收光谱Fig.1 Spectrum of copper complex

由图1 可知，铜离子络合物的最大吸收波长在457 nm 处。

2.2 铜离子标准曲线的绘制

分别加入0.00，1.00，2.00，3.00，4.00，6.00，8.00 mL 浓度20.00 μg/mL 铜标准溶液于125 mL分液漏斗，并加入去离子水至总体积50 mL，此时铜的含量分别为0，0. 02，0. 04，0. 06，0. 08，0. 12，0.16 mg，采用2，9-二甲基-1，10-菲啰啉分光萃取光度法测定吸光度，结果见图2。

图2 铜离子标准曲线Fig.2 Standard curve of copper ion

由图2 可知，铜离子标准溶液的浓度与吸光度的函数关系为A=0.076 9 C+0.017 4，曲线的线性相关系数R=0.998 9，相关程度较高。

2.3 对比实验分析

在铜离子浓度30 mg/L，pH 7，吸附温度45 ℃，吸附时间3 h，活性炭/粉煤灰(质量比1∶1)投加量2.5 g，活性炭及粉煤灰粒径均为100 目等条件下，分别考察活性炭、粉煤灰、活性炭/粉煤灰处理模拟含铜废水的吸附效果，结果见图3。由图3 可知，活性炭、粉煤灰、活性炭/粉煤灰对铜离子去除率分别为99.43%，52.50%，97.33%。

图3 吸附剂对铜离子去除率的影响Fig.3 Effect of adsorbent on the removal rate of copper ion

2.4 吸附时间对铜离子吸附效果的影响

在铜离子浓度30 mg/L，pH 7，吸附温度45 ℃，活性炭/粉煤灰(质量比1 ∶1)投加量2.0 g，活性炭、粉煤灰粒径均为100 目等条件下，考察吸附时间对铜离子吸附效果的影响，结果见图4。

图4 吸附时间与铜离子去除率的关系Fig.4 Effect of adsorption time on the removal rate of copper ion

由图4 可知，随着时间的增大，铜离子去除率增大，120 min 时铜离子去除率增大变缓，3 h 达到吸附平衡，此时铜离子去除率达96.23%。由此得出，活性炭/粉煤灰处理模拟含铜废水的吸附平衡时间为3 h。

2.5 pH 对铜离子吸附效果的影响

在铜离子浓度30 mg/L，吸附时间3 h，吸附温度45 ℃，活性炭/粉煤灰投加量(质量比1 ∶1)2.0 g，活性炭和粉煤灰粒径均为100 目等条件下，考察pH 对铜离子吸附效果的影响，结果见图5。

图5 pH 与铜离子去除率的关系Fig.5 Effect of pH on the removal rate of copper ion

由图5 可知，随着pH 的增大，铜离子去除率先增大后减小，在pH 6 时达到最大为97.08%。这是由于在pH ＜6 时，溶液中存在大量的H+，它会与活性炭、粉煤灰表面的碱性官能团结合，使得活性炭、粉煤灰的部分活性吸附点被占据，对铜离子的吸附量也就减少。随着pH 增大，与活性炭、粉煤灰表面的碱性官能团结合的H+会发生解离，活性炭、粉煤灰的活性吸附点就会大量增多，对铜离子吸附量也就增多，铜离子去除率就会增大［11-12］。但继续增大pH(＞6)时，溶液中的OH－就会增多，会与Cu2+生成Cu(OH)2沉淀，不利于吸附，导致铜离子吸附量相对下降，铜离子去除率就随之下降。由此得出，活性炭/粉煤灰处理模拟含铜废水的最佳pH 为6。

2.6 吸附温度对铜离子吸附效果的影响

在铜离子浓度30 mg/L，pH 6，吸附时间3 h，活性炭/粉煤灰(质量比1∶1)的投加量2.0 g，活性炭和粉煤灰粒径均为100 目等条件下，考察吸附温度对铜离子吸附效果的影响，结果见图6。

图6 吸附温度与铜离子去除率的关系Fig.6 Effect of temperature on the removal rate of copper ion

由图6 可知，随着温度的升高，铜离子去除率先增大后减小，45 ℃时达到最大为97.15%。这是因为活性炭/粉煤灰吸附铜离子属于吸热反应过程，温度升高，反应往正向进行，铜离子吸附量增大，则铜离子去除率增大。当温度超过45 ℃使分子热运动加剧，破坏吸附平衡，使得铜离子吸附量有所减少［12］。由此得出，活性炭/粉煤灰处理模拟含铜废水的最佳温度为45 ℃。

2.7 活性炭/粉煤灰投加量对铜离子吸附效果的影响

在铜离子浓度30 mg/L，pH 6，吸附时间3 h，吸附温度45 ℃，活性炭/粉煤灰质量比1∶1，活性炭、粉煤灰粒径均为100 目等条件下，考察活性炭/粉煤灰投加量对铜离子吸附效果的影响，结果见图7。

图7 活性炭/粉煤灰的投加量与铜离子去除率的关系Fig.7 Effect of the dosage of activated carbon/coal fly ash on the removal rate of copper ion

由图7 可知，随着活性炭/粉煤灰的投加量增加，铜离子去除率增大，当达到2.5 g 时，铜离子去除率变化趋于平稳。这是因为活性炭/粉煤灰的投加量增大，可提供较多的活性吸附点，对铜离子的吸附量增大。当活性炭/粉煤灰的投加量超过2.5 g时，吸附剂达到吸附饱和，铜离子去除率将不再变化。由此得出，处理100 mL 浓度30 mg/L 模拟含铜废水的活性炭/粉煤灰饱和量为2.5 g。

2.8 活性炭/粉煤灰的质量比对铜离子吸附效果的影响

在铜离子浓度30 mg/L，pH 6，吸附时间3 h，吸附温度45 ℃，活性炭/粉煤灰投加量2.5 g，活性炭、粉煤灰粒径均为100 目等条件下，考察活性炭与粉煤灰质量比对铜离子吸附效果的影响，结果见图8。

图8 活性炭/粉煤灰的质量比与铜离子去除率的关系Fig.8 Effect of the mass ratio of activated carbon and coal fly ash on the removal rate of copper ion

由图8 可知，投加一定量的活性炭/粉煤灰，随着活性炭所占比例的减少，其铜离子去除率就随之下降。从吸附效果以及处理成本角度考虑，活性炭/粉煤灰的质量比1∶1 较为合适。

2.9 粉煤灰粒径对铜离子吸附效果的影响

在铜离子浓度30 mg/L，pH 6，吸附时间3 h，吸附温度45 ℃，活性炭/粉煤灰(质量比1∶1)投加量2.5 g，活性炭粒径100 目等条件下，考察粉煤灰粒径对铜离子吸附效果的影响，结果见图9。

图9 粉煤灰粒径与铜离子去除率的关系Fig.9 Effect of the particle size of coal fly ash on the removal rate of copper ion

由图9 可知，铜离子去除率随着粉煤灰目数的增大而增大，≥100 目后，铜离子去除率基本保持不变。这是因为粉煤灰颗粒越细，比表面积越大，孔隙扩散速率越快，在相同时间内，铜离子吸附量越多，铜离子去除率就越大。

2.10 活性炭粒径对铜离子吸附效果的影响

在铜离子浓度30 mg/L，pH 6，吸附时间3 h，吸附温度45 ℃，活性炭/粉煤灰(质量比1∶1)投加量2.5 g，粉煤灰粒径100 目等条件下，考察活性炭粒径对铜离子吸附效果的影响，结果见图10。

图10 活性炭粒径与铜离子去除率的关系Fig.10 Effect of the particle size of activated carbon on the removal rate of copper ion

由图10 可知，铜离子去除率随着活性炭目数的增大而增大，≥100 目后，铜离子去除率基本保持不变。这是因为活性炭颗粒越细，比表面积越大，孔隙扩散速率越快，在相同时间内，铜离子吸附量越多，铜离子去除率就越大。

2.11 铜离子浓度对铜离子吸附效果的影响

在废水pH 7，吸附温度45 ℃，吸附时间3 h，活性炭/粉煤灰(质量比1∶1)投加量2.5 g，活性炭和粉煤灰粒径均为100 目等条件下，考察铜离子浓度对铜离子吸附效果的影响，结果见图11。

图11 铜离子浓度与铜离子去除率的关系Fig.11 Effect of the concentration of copper ion on the removal rate of copper ion

由图11 可知，铜离子去除率随着铜离子初始浓度的增大而减小。原因是当活性炭/粉煤灰投加量一定时，其所提供的吸附活性位有限，故饱和吸附量也是一定的。当达到一定浓度(吸附趋于饱和)时，单位时间内吸附量将不变，所以增大铜离子浓度，铜离子去除率就会随之下降。对于铜离子浓度30 mg/L的含铜废水，处理后水中铜离子含量低于国家二级排放标准(1.0 mg/L)［13］。

3 结论

(1)单纯粉煤灰对铜离子吸附效果很差，但粉煤灰与活性炭混合后，其吸附效果接近纯活性炭。采用活性炭/粉煤灰处理含铜废水，不仅吸附效果良好，节约处理成本，而且还能解决粉煤灰造成的环境问题，具有实际的应用前景。

(2)活性炭/粉煤灰处理100 mL 浓度30 mg/L模拟含铜废水的最佳条件为:吸附时间3 h，pH 6，吸附温度45 ℃，活性炭/粉煤灰(质量比1∶1)投加量2.5 g，活性炭和粉煤灰粒径均为100 目。在此条件下，铜离子去除率可达97.33 %。处理后水中铜离子浓度(0. 811 4 mg/L)低于国家二级排放标准(1.0 mg/L)。

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