废弃生物质对模拟废水中锌的吸附研究

高琳 王靖君 黄润峰 白膨豪 史磊

摘 要：本文研究初始金属离子浓度、溶液pH值、吸附剂用量等因素对碧根果壳吸附Zn2+的影响。结果表明：Zn2+的吸附量受pH值影响，随着pH值升高而增多，其中在pH=8时，吸附量最大。随生物质吸附剂用量的增加，Zn2+的去除率逐渐升高。SEM和FTIR分析可知生物质表面含有羟基、羧基、Si—O等官能团为生物质吸附Zn2+提供便利。

关键词：锌;生物质;吸附;模型参数

中图分类号：X756     文献标识码：A       文章编号：1003-5168（2021）30-0087-03

Abstract： In this study， the effects of initial metal ion concentration， pH value and adsorbent of pecan shell on the adsorption of Zn2+ were researched. The results show that the adsorption capacity of Zn2+ is affected by pH value and increased with the increase of pH value; when the pH value is equal to 8， the adsorption capacity reaches the maximum. With the increase of the amount of biomass adsorbent， the removal rate of Zn2+ is increased gradually. It can be seen that the surface of biomass contained hydroxyl， carboxyl， Si-O and other functional groups can facilitate the adsorption of Zn2+ according to SEM and FTIR analysis.

Keywords： Zinc; biomass; adsorption; model parameter

重金屬作为水体中的潜在危害污染物之一，由于其持久性和对环境及人体健康的影响较大而备受关注。锌是营养必需的微量元素，但如果大量摄入，可能会产生毒性[1]。废水中锌的主要来自金属、化工、造纸以及金属加工等过程中的废水排放[2-4]。据报道，过量摄入锌可导致抑郁、嗜睡、癫痫等疾病[5-6]。传统方法包括化学沉淀法、离子交换法、过滤法、溶剂萃取法、膜技术和活性炭吸附等，这些方法很难去除水中的重金属离子[7-8]。因此，在重金属废水处理领域中开发廉价、高效的吸附剂已成为近年来研究的重点。

先前已经报道有多种吸附材料对重金属吸附特性的研究成果。但有关坚果类碧根果壳作为吸附剂的研究还较少。本研究的目的是探究碧根果壳对锌的吸附特性;探讨初始溶液pH、初始金属离子浓度和吸附剂用量对锌吸附的影响;并结合SEM和FTIR等表征手段揭示碧根果壳对锌的吸附机制。

1 材料与方法

本试验利用碧根果壳作为原材料，用不锈钢粉碎机将其打碎，然后在过60目尼龙筛，在60 ℃烘箱中烘干至恒重，装入封口袋中备用。

在本试验中所用Zn2+溶液用硝酸锌配制。采用0.5 M HCl和0.5 M NaOH调节溶液pH。溶液pH使用雷磁PHS-3C pH计测定。Zn2+的浓度使用原子吸收分光光度计（岛津6880）测量。碧根果壳采用扫描电子显微镜（SEM，Quanta 250）和傅立叶变换红外光谱仪（Thermo Fisher Nicolet 6700）进行表征。

吸附实验主要流程如下：在50 mL的玻璃三角瓶中加入40 mL Zn2+溶液。使用摇床在25 ℃下，以170 r/min震荡。然后，以10 000 r离心后，用孔径为0.45 μm过滤悬浮液，滤液用火焰原子吸收分光光度计分析。Zn2+的去除率可用公式：

式中，η为锌离子去除率，%，Ci为初始金属离子浓度，mg/L，Ce为溶液中金属离子浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 初始浓度、生物质投加量和pH对Zn2+去除率的影响

图1（a）中所示，随着初始Zn2+浓度的增加，生物质的Zn2+含量随之减少。当浓度为10 mg/L时，溶液中的Zn2+与吸附位点发生相互作用，吸附剂的吸附率达到89%。当Zn2+浓度达到50 mg/L和100mg/L时，吸附剂去除率分别下降到64%和36%。从图1（b）可以看出，在100 mg/L的Zn2+溶液，生物质对Zn2+的吸附效果随着生物质用量增多，Zn2+去除率从36%增加到88%。在碱性范围内，重金属易形成沉淀。因此，本实验在最大pH为8.0的条件下进行。图1（c）显示当溶液初始pH从3增加到5时，溶液中Zn2+去除率从42%缓慢升高到49%。在pH值为5以上溶液中Zn2+去除率开始显著升高趋势，其中pH值为8时，溶液中Zn2+去除率最高达到89%。

2.2 生物质吸附剂的SEM和FTIR表征分析

SEM分析可知，生物质颗粒间疏松，呈层状结构，存在较大的角状颗粒物，其表面吸附较多的不规则颗粒。在3 422～3 448 cm-1 之间的吸收峰主要是羟基和不饱和基团。在1 618 cm-1附近，存在羧基和酮类的—CO—吸收峰。在1 035 cm-1 附近是 Si—O 特征峰。生物质表面存在的—OH、羧基、Si—O 等官能团能在一定程度上提升生物质的吸附性能。具体分析见图2。

3 结论

本研究得出以下结论：①Zn2+初始浓度的增加在一定程度上降低了生物质吸附量，但是随着pH升高和生物质投加量的增大，Zn2+去除率升高;②通过SEM和FTIR表征分析生物质颗粒间疏松且呈现层状结构，其表面含有羟基、羧基、Si—O等官能团为生物质吸附Zn2+提供便利。

参考文献：

[1] 周源苑，王玉，马剑华.维生素A和锌过量摄入对大鼠脾脏的损伤作用[J].中国公共卫生，2006（9）：1055-1056.

[2] 刘欣悦，钟溢健，张萍，等.锌冶炼中间废水中锌铁离子含量测定，去除及机理研究[J].浙江化工，2019，50（8）：47-51.

[3] 朱遂一，吴亚琼，霍明昕，等.电镀废水中低浓度镍和锌离子的高效富集研究[J].环境科学学报，2019，39（10）：3381-3386.

[4] 刘富强.铅锌冶炼废水处理技术的探讨[J].化学工程与装备，2020，276（1）：265-266.

[5] ZHANG Y， LI Y， YANG L Q， et al. Characterization and adsorption mechanism of Zn2+ removal by PVA/EDTA resin in polluted water.[J]. Journal of Hazardous Materials， 2010，178（1-3）：1046-1054.

[6] 蔡菜.小儿乱吃补药有害无益[J].家庭医学，2014（11）：13.

[7] 刘冰冰，刘佳，张辰凌，等.离子交换树脂-固相萃取富集-电感耦合等离子体光谱法测定水中重金属元素[J].光谱学与光谱分析，2018，38（12）：271-276.

[8] 李明明，贾立明，周密，等.改性氨基丙基聚硅氧烷树脂吸附-电感耦合等离子体质谱法测定水中重金属离子[J].科学技术创新，2015（1）：29-29，103.