梧桐树皮活性炭对水中铬离子吸附性能研究

王 磊， 卫新来， 金 杰， 李 聪， 汪珮瑒

(1. 合肥学院 生物与环境工程系， 合肥 230601； 2. 安徽省环境污染防治与生态修复协同创新中心，合肥 230601)



梧桐树皮活性炭对水中铬离子吸附性能研究

王 磊1,2， 卫新来1,2， 金 杰1,2， 李 聪1， 汪珮瑒1

(1. 合肥学院 生物与环境工程系， 合肥 230601； 2. 安徽省环境污染防治与生态修复协同创新中心，合肥 230601)

研究了梧桐树皮活性炭对水中铬离子的吸附性能，探讨了其吸附机理，得出相关热力学参数。研究结果表明用0.4 g梧桐树皮活性炭处理50 mL的100 mg/L的Cr6+溶液，在25℃下，pH 2，静置吸附180 min后Cr6+的去除率可以达到99.8%；梧桐树皮活性炭对Cr6+的吸附符合Langmuir模型，10℃时的饱和吸附量为7.888 mg/g，为单分子层吸附。

梧桐树皮；生物质；吸附；改性

随着我国工业化水平的不断发展，重金属排放的行业越来越多，铬及其化合物也在其中[1]。矿山开采、金属冶炼、化工、印染、皮革、电镀等行业生产过程中产生大量含铬废水，含铬废水进入生态系统会造成严重的环境问题[2-3]。铬常以Cr3+和Cr6+形式存在[4]，虽然两者都有很强的毒性，但Cr6+的毒性比Cr3+高约100倍，并且很难自然降解同时对人体健康和自然环境都有很大的危害[5]，所以对含铬废水的处理已经成为环保界关注的焦点。

现阶段对含铬废水的处理方法主要有吸附法、化学沉淀法、电解法、生物法、膜分离法、离子交换法等[6-12]，其中吸附法操作简单，成本低廉，吸附效率高的重金属离子是近年来研究的热点[13]。梧桐树皮是一种常见的林业废弃物，有着产量多，价格便宜等特点，用其改性制备生物质活性炭吸附剂处理含铬废水具有更大发展潜力。本文研究了改性梧桐树皮制备的活性炭吸附剂在不同条件下对水中铬离子的吸附性能，并且探究出了改性梧桐树皮制活性炭对水中铬离子的最佳吸附条件，从而对开发研究高效便宜的吸附剂提供了理论基础。

1　材料与方法

1.1材料

梧桐树皮取自合肥市郊，实验所用氯化锌、盐酸、氢氧化钠、二苯基碳酰二肼等试剂均为分析纯，重铬酸钾试剂为优级纯，实验用水为去离子水。

实验所用主要仪器有管式炉(OTF-1200X型)，紫外-可见分光光度计(UV6000型)，分析天平(CP214型)，高速万能粉碎机(FW100)，酸度计(PHS-3CB型)，X射线衍射仪(TD-3500型)，鼓风干燥箱(DGX-9143B型)，全自动工业分析仪(MAC-2000型)，元素分析仪(EA3000)。

1.2吸附剂的制备

将梧桐树皮用去离子水洗涤去杂，烘干后粉碎过筛，用一定浓度的氯化锌溶液浸渍搅拌5 h，然后放入80℃烘箱中预干燥12 h后60℃真空烘干。预处理后的梧桐树皮放入管式炉中，氮气气氛，活化温度为500℃，活化时间60 min，待冷却后将活化的样品先用去离子水洗3遍，然后用稀盐酸溶液清洗3遍，再用去离子水洗至中性，最后将洗好的样品放入105℃烘箱中烘干即可得到梧桐树皮活性炭[14]。

1.3吸附实验

分别往100 mL锥形瓶中加入一定质量的梧桐树皮活性炭和50 mL一定浓度的Cr6+溶液，然后调节吸附pH值、吸附温度和吸附时间等，待吸附结束后过滤上清液，用分光光度计测量吸光度，然后计算去除率Et和吸附量Qt。为减少实验误差，吸附实验重复3次取平均值。

(1)

(2)

式中Et为t时刻对应的去除率(%)；C0为Cr6+初始浓度(mg/L)；Ct为吸附t时间后剩余的Cr6+浓度(mg/L)；V为溶液的体积(L)；W为梧桐树皮活性炭的质量(g)；Qt为t时刻对应的吸附量(mg/g)。

2 结果与讨论

2.1投加量对Cr6+的吸附性能影响

称取不同质量的活性炭分别置于50 mL浓度为100 mg/L的Cr6+溶液中，在25℃静置吸附180 min后，移取1 mL过滤后的上清液至50 mL比色管中，稀释至刻度线，采用分光光度法测定剩余Cr6+浓度。

图1显示的是梧桐树皮活性炭投加量对溶液中Cr6+的去除效果。可以看出随着活性炭投加量的增加Cr6+去除率也随着增大，当投加量为0.4 g时，Cr6+的去除率可达到97.2%，当投加量继续增大时去除率增加缓慢，基本趋于平稳，故该实验取0.4 g为梧桐树皮活性炭最佳投加量。

2.2溶液初始pH值对吸附的影响

在25℃时，取0.4 g梧桐树皮活性炭投于50 mL浓度为100 mg/L的Cr6+溶液中，吸附时间为180 min，讨论pH值对Cr6+去除率的影响，结果如图2所示。

图1 投加量对Cr6+去除效果的影响Fig 1 Influence of adsorbent dosage on Cr6+ removal

图2 pH值对吸附Cr6+去除效果影响Fig 2 Influence of pH value on Cr6+ removal

从图2中可以看出，pH值对梧桐树皮活性炭吸附去除Cr6+有很大影响。当pH值为2时梧桐树皮活性炭对溶液中Cr6+的去除率最高可达到99.8%，pH值在2到4之间Cr6+的去除率变化不大；但当pH值大于4时Cr6+的去除率随着pH值的增大而明显减小；当pH值为8时，Cr6+的去除率仅为30.0%。

这可能与Cr6+的强氧化性有关，在酸性溶液中可与还原性物质强烈反应生成Cr3+，并且在酸性条件下Cr6+会形成大量的聚合态氧化物，同时梧桐树皮活性炭的表面会高度质子化，这使得其对Cr6+聚合物的吸附能力增强。而在弱酸性或碱性条件下，Cr3+可转化为Cr6+，随着pH值的增大OH-的量增多，活性炭对OH-的亲和力大于对Cr6+的亲和力，从而导致活性炭吸附能力下降[15]。

2.3吸附温度对去除率的影响

称取一定量活性炭置于50 mL浓度为100 mg/L的Cr6+溶液中，分别在10℃、20℃、30℃和40℃恒温箱中静置吸附180 min后，研究吸附温度对Cr6+去除率的影响，结果如图3所示。

图3 温度对吸附Cr6+去除效果影响Fig 3 Influence of contact temperature on Cr6+ removal

从图3可以看出，不同吸附温度条件下的吸附基本达到平衡，Cr6+去除率曲线趋于平缓，所以温度对Cr6+去除率影响不大。随着温度增加去除率呈略微上升趋势，这可能是因为溶液升高有利于化学吸附克服活化能障碍，加快了粒子内扩散速度[16]，从而提高了Cr6+的去除率。但从成本考虑室温下吸附较好。

2.4吸附时间对去除率的影响

吸附时间对吸附效果有重要影响[17]。在25℃条件下，取0.4 g梧桐树皮活性炭投于50 mL浓度为100 mg/L的锥形瓶中，研究吸附时间对Cr6+去除率的影响。结果见图4。由图4可以看出在0到100 min之间的吸附率处于快速上升态势，在100 min时达到最大吸附率96.7%。初始阶段去除率增大迅速主要是因为梧桐树皮活性炭表面裸露，且水体中Cr6+初始浓度大，对吸附有利[18]。100 min后去除率呈现略微波动趋势，分析其原因应是实验误差所致，可以认为活性炭已经基本达到吸附平衡。

图4 吸附时间对吸附Cr6+去除效果影响Fig 4 Influence of contact time on Cr6+ removal

2.5Cr6+初始浓度对去除率的影响

分别配置50 mL不同浓度Cr6+溶液于锥形瓶中，分别加入0.4 g梧桐树皮活性炭，并置于25℃恒温箱下静置吸附180 min后，研究不同Cr6+初始浓度对去除率的影响。结果见图5。

由图5可以看出，随着Cr6+初始浓度的增大，去除率在逐渐减小，因为梧桐树皮活性炭投加量一定，所以其活性吸附位点数量一定，当达到饱和吸附时Cr6+浓度的增加会导致溶液中未被吸附的Cr6+量增多，从而使得去除率下降[7]。因此要由Cr6+的初始浓度来决定梧桐树皮活性炭的投加量，以便达到更好的去除效果。

图5 初始浓度对吸附Cr6+去除效果影响Fig 5 Influence of initial concentration on Cr6+ removal

2.6活性炭吸附Cr6+的等温线分析

等温吸附线的测定：将0.4 g活性炭投于50 mL浓度梯度为30～100 mg/L的Cr6+溶液中，然后置于20℃条件下静置吸附180 min后过滤稀释测其浓度。

等温吸附线分别采用 Langmuir模型和Freundlich模型进行拟合吸附过程。

Langmuir模型表达式：

Ce/Qe=1/ (QmKL)+Ce/Qm

(3)

式中Qm为某一定温度下的饱和吸附量；KL为Langmuir常数；Ce为达到吸附平衡时Cr6+溶液的浓度；Qe为平衡时的吸附量；Qm为吸附剂单分子层被吸附时的饱和吸附量(mg/L)。

用Ce/Qe为纵坐标，以Ce为横坐标对数据进行拟合，可由直线的斜率和截距计算Qm和KL。

Freundlich模型表达式为：

LnQe=lnCe/n+lnKf

(4)

式中Kf、n为Freundlich吸附常数；Qe为平衡时吸附量(mg/g)；Ce为平衡时溶液中吸附质浓度(mg/L)。

Kf是Freundlich模型常数，以lnQe对lnCe作图，用直线的斜率和截距计算n和Kf值。

图6和图7为拟合结果，表1为Langmuir模型和Freundlich模型等温吸附线的拟合参数。

图6 Langmuir吸附等温线Fig 6 Isothermal adsorption of Langmuir model

图7 Freundlich吸附等温线Fig 7 Isothermal adsorption of Freundlich model表1 Langmuir和Freundlich等温模型参数Table 1 Langmuir and Freundlich isothermal model parameters

LangmuirFreundlichKL(L/mg)Qm(mg/g)R2Kf(mg/g)nR20.1787.8880.9732.4383.3820.776

由图6、图7和表1可以看出梧桐树皮活性炭吸附溶液中Cr6+过程与 Langmuir模型可以更好地符合，在10℃，梧桐树皮活性炭的饱和吸附量为7.888 mg/g，KL为0.178。说明该体系主要是单分子层吸附[18]。n值为3.382大于1，说明该吸附是自然进行的[19]。

3　结论

1) pH值在2～4之间时梧桐树皮活性炭对于100 mg/L Cr6+溶液的效果最好，pH值越大Cr6+的去除效果越差。

2) 用0.4 g梧桐树皮活性炭处理50 mL的100 mg/L的Cr6+溶液，在25℃，pH 2，静置吸附180 min后Cr6+的去除率可以达到99.8%，残余Cr6+的浓度<0.5 mg/L，达到了Cr6+的排放标准。

3) 梧桐树皮活性炭对Cr6+的去除率随着吸附剂用量的增加而增大，对100 mg/L Cr6+溶液，当投加量为8 g/L时最大去除率可达到97.2%。

4) 梧桐树皮活性炭对Cr6+的吸附符合Langmuir模型10℃时的饱和吸附量为7.888 mg/g，为单分子层吸附。

5) 因为梧桐树皮原料丰富，容易获取，用其制作的吸附剂去吸附重金属离子既可以废物再利用，又可以将水体中的污染物聚集清除，减少污染面积。

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Study on adsorption property of Cr6+by sycamore bark activated carbon

WANG Lei1,2， WEI Xin-lai1,2， JIN Jie1,2， LI Cong1， WANG Pei-yang1

(1. Department of Biological and Environmental Engineering， Hefei University， Hefei 230601； 2.Collaborative Innovation Center for Environmental Pollution Prevention and Ecological Restoration of Anhui Province， Hefei 230601， China)

The adsorption property of Cr6+by sycamore bark activated carbon was studied. The related thermodynamic parameters were obtained. The research results showed that using 0.4 g sycamore bark activated carbon for the treatment of 50 mL Cr6+solution concentration of 100 mg/L, under the condition of temperature, pH and adsorption time of 25℃, 2.0 and 180 min, the removal rate of Cr6+reached to 99.8%. Sycamore bark activated carbon adsorption of Cr6+conformed to the Langmuir model, and it the saturated adsorption capacity was 7.888 mg/g when the temperature was 10℃.

sycamore bark； biomass； adsorption； modification

2016-06-02；

2016-06-21

合肥学院院级学科带头人培养对象项目(2014dtr02)；合肥学院科研基金(0395581561)

王 磊，硕士研究生，助理实验师，研究方向为环境工程，E-mail：592462275@qq.com

金 杰，教授，研究方向为生物及环境工程领域，E-mail：amushui@hfuu.edu.cn

X703;TQ424.1

A

2095-1736(2016)05-0075-04

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2016.05.075