磁性碳纳米管对水中Cr（VI）污染物的去除研究

黄 捷

（绍兴市第一初级中学，浙江 绍兴 312000）

0 前言

随着工业的发展，水资源污染已非常严峻，成为了制约我国可持续的重要因素。水体资源与我们生活息息相关，而水中的重金属对人类健康和环境的影响十分严重。Cr（VI）被公认是毒性最强的重金属之一。铬污染主要来源于金属加工、电镀、制革等行业所排出的工业废水。长期接触受Cr（VI）污染的水源会引起肺癌、咽鼻癌等重大疾病。若是任由Cr（VI）污染的工业废水直接排入环境，不仅对人体健康、生态环境造成破坏，加剧对水资源的污染，同时也加重了环境治理的负担，不利于经济的发展[1-2]。因此，如何有效处理水体中的Cr（VI）污染具有非常重大的意义。吸附法由于具有成本低、操作简单等优点，在重金属污染治理中具有非常重要的应用。而碳纳米管表面功能基团丰富，与重金属有着很好的键合作用，是一种理想的吸附剂。若制成负载了铁氧化物的碳纳米管，即碳纳米管磁性复合材料，由于既能表现出铁氧化物的磁性，又能表现出碳纳米管吸附的高效能，再将其运用到污染水体的吸附处理当中，便可解决废水处理和吸附剂循环使用的问题[3-4]。为此，本论文采用了液相共沉淀法来制备碳纳米磁性复合材料，然后将磁性碳纳米管用于合成废水中Cr（VI）污染的治理，考察了常见水参数对吸附的影响。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

分析天平和pH计（AL204，梅特勒-托利多），自动取样器（HQ-KL/500型，襄阳凯利华机电有限责任公司），超级恒温水浴锅（HH-501型，常州中捷实验仪器制造有限公司），调速多用振荡器（ZD-2型，江苏金坛市金城国胜实验仪器厂），可见分光光度计（722型，上海光谱仪器有限公司）。碳纳米管 （CNTs）（CNT102型，深圳比尔科技公司），FeCl3·6H2O（96.0%～99.0%，湖北盛世环保科技有限公司），FeSO4·7H2O（≥99.0%，无锡市凯尔化工产品有限公司），浓HNO3（≥98.0%，济南央博光化工有限公司），重铬酸钾（分析纯，上海化学试剂厂），NaOH（≥96.0%，淄博环拓化工有限公司）。

1.2 碳纳米管磁性复合材料

采用液相共沉淀法将Fe2+和Fe3+负载在经浓HNO3氧化后的碳纳米管表面制得碳纳米管-铁氧化物磁性复合材料。首先将碳纳米管用浓HNO3氧化处理，目的是使碳纳米管表面的官能基团化。制成500 mL经浓HNO3氧化碳纳米管悬浮液，经过超声波分散仪的分散使之溶解。分别称取 2.95 g 的 FeCl3·6H2O 和 1.55 g 的 FeSO4·7H2O， 将 FeCl3·6H2O 和 FeSO4·7H2O 配制成20 mL溶液并在N2的氛围中进行70℃的恒温加热。在碳纳米管的悬浮液中逐渐滴加Fe3+/Fe2+溶液和30 mL，0.5 mol/L的NaOH溶液，在滴加完NaOH溶液后，调整溶液pH为11.0左右，继续搅拌1.0 h，然后在70℃下老化4.0 h之后过滤。用二次蒸馏水冲洗滤渣3次以上，最后置于烘箱直至烘干，研磨备用[4]。

1.3 实验方法

采用静态法进行吸附实验，首先，在一系列的离心管中加入一定量的磁性碳纳米管复合材料的悬浮液和Cr（VI）溶液，离子强度用NaNO3调节，介质pH用HNO3或NaOH调节。然后将混合均匀的悬浮液恒温振荡并且达到吸附平衡，再用磁分离技术进行固液分离，取适量上层清液，用分光光度法测定Cr（VI）浓度。最后，依据吸附的相关公式计算出 Cr（VI）的去除率[5]。

2 结果与讨论

2.1 最佳吸附剂投加量的确定

相同5份100 mL原水，控制其浓度均为1 mg/L，pH均保持不变，分别在5份样品中投加0.05 g、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g 吸附剂， 在室温下经磁力搅拌器搅拌15 min后，静置30 min，取上层清液测定其吸光度并算出去除率，结果见图1。由图1可以看出，在相同的实验条件下，在加入吸附剂之后，Cr（VI）的去除率分别达到了29.86%、39.16%、72.65%、40.09%、44.74%。 其中当吸附剂投加量达到2.0 g/L时，吸附剂对Cr（VI）的去除率达到了72.65%。综合考虑以上因素，本实验的吸附剂最佳投加量确定为2.0 g/L。

图1 不同吸附剂投加量对Cr（VI）的去除情况

2.2 最佳吸附时间

取100 mL原水，控制其浓度为1 mg/L，pH均保持不变，分别在5份样品中投加0.2 g吸附剂，在室温下经磁力搅拌器分别搅拌5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、40 min、50 min后，静置30 min，取上层清液测定其吸光度并算出去除率，结果见图2。由图2可以看出，在相同的实验条件下，在经磁力搅拌器搅拌5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、40 min、50 min后，吸附剂对 Cr（VI）的去除率达到了 11.26%、19.63%、31.72%、30.79%、28.93%、24.28%、21.49%。当吸附时间为15 min时，吸附剂对Cr（VI）的去除率达到最大的31.72%。综合考虑以上因素，本实验的最佳吸附时间确定为15 min。

图2 不同吸附时间对Cr（VI）的去除情况

2.3 最佳吸附温度

取3份100 mL原水，控制其浓度为1 mg/L，pH保持不变，分别在3份原水中投加吸附剂0.2 g，调节原水温度为25℃、45℃、60℃，经磁力搅拌器搅拌15 min后静置30 min，取上层清液测定其吸光度并算出去除率，结果见表1。由表1可以看出，在相同的条件下，在25℃、45℃、60℃不同的吸附温度下，吸附剂对Cr（VI）的去除率达到了31.72%、39.17%、47.53%。当吸附温度为60℃时，吸附剂对Cr（VI）的去除率达到了最大的47.53%。综合考虑以上因素，本实验的最佳吸附温度为60℃。

表1 不同吸附温度对Cr(VI)的去除情况

取 4份浓度分别为 0.5 mg/L、1 mg/L、1.5 mg/L、2.0 mg/L的原水100 mL，控制其pH不变，投加吸附剂0.2 g，在室温下磁力搅拌器搅拌15 min后静置30 min，取上层清液测定其吸光度并算出去除率，结果见表2。由表2可以看出，在相同条件下，在浓度为 0.5 mg/L、1 mg/L、1.5 mg/L、2.0 mg/L时，Cr（VI）的去除率达到了14.98%、15.53%、9.83%、10.98%。当浓度为1 mg/L时，吸附剂对Cr（VI）的去除率达到了最大的15.53%。综合考虑以上因素，本实验的最佳原水浓度为1 mg/L。

表2 不同原水浓度对Cr（VI）的去除情况

取5份浓度为1 mg/L的原水100 mL，投加吸附剂 0.2 g， 调节 pH 分别为 4、5、6、7、9，在60℃下磁力搅拌15 min后静置30 min，取上层清液测定其吸光度并算出去除率，结果见图3。由图3可以看出，在相同的条件下，在原水pH为4、5、6、7、9 时，Cr （VI） 的去除率分别为 21.49%、20.56%、12、19%、10.33%、11.26%。当原水 pH 为 4时，对Cr（VI）的去除率达到最大21.49%。综合考虑以上因素，本实验的最佳原水pH为4。

图3 不同原水pH对Cr（VI）的去除情况

3 结论

本研究提出了用碳纳米管-铁氧化物磁性复合材料吸附去除水中Cr（VI）污染物的工艺。采用了液相共沉淀法制备吸附剂碳纳米管-铁氧化物磁性复合材料。进一步研究了影响Cr（VI）吸附去除的主要因素，确定了吸附剂最佳用量为2 g/L，最佳吸附时间为15 min，温度为60℃，原水浓度为1 mg/L，最佳pH为4.0。结果表明，在该情况下，磁性复合材料对Cr（VI）的吸附率达到72.65%。该磁性复合材料可以较好地处理水体Cr（VI）污染问题，其所具备的独特磁性可以使其达到循环利用的目的。

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[5]Xu D，Zhou X，Wang X K.Adsorption and desorption of Ni2+on Na-montmorillonite： Effect of pH， ionic strength，fulvic acid，humic acid and addition sequences[J].Appllied Clay Science，2008，39：133-141.