槐木活性炭净化废水中Pb2+的工艺研究

2022-11-11陈保江高丽娟张洪菲王荣卜祥云杨家威

辽宁化工 2022年10期

陈保江，高丽娟，张洪菲，王荣，卜祥云，杨家威

（辽宁科技大学化工学院，辽宁鞍山 114051）

优质的水源对人类的健康和环境安全有非常重要的作用，现阶段许多的淡水资源都受到了污染。有研究表明，造成水污染的其中一个原因就是工业污水，重金属离子是最严重的污染物[1-2]。矿山、电镀、电子等行业，常常是重金属离子废水的主要来源[3-4]。许多含重金属离子的废水由于某些原因未经处理就被排入水体或者进入了土壤中，使得河流、湖泊、海洋和土壤受到污染。目前，废水中重金属离子的去除方法主要有电化学法、氧化还原法、物理吸附法[5-6]和离子交换法[7-8]。但是从效果稳定、经济高效、应用广泛因素考虑，物理吸附法成为处理废水中重金属离子的优法。而生物质炭是重金属污染处理中常用的吸附剂[9]。木质活性炭是木材在限氧或无氧条件下热解、活化得到的活性炭，有发达的孔结构、极大的比表面积与良好的耐酸碱性，拥有强大的吸附性能、稳定的化学性质、容易再生等优点[10]。本项目是利用东北地区的优势树种槐木来制作活性炭，它具有生长快速、耐干旱、耐贫瘠的特点[11]。因此采用槐木活性炭良好的吸附性来处理废水中的Pb2+，具有经济价值也有社会意义。

1 实验部分

1.1 原料及试剂

刺槐树枝干，采自辽科大；硝酸铅，AR，沈阳试剂二厂。干燥箱，101-1，厦门宇电；管式炉/活化炉，Gsl-1400x，合肥科晶；超级恒温水浴锅，CS501，上海锦屏仪表有限公司；紫外分光光度计，752，上海菁华有限公司；电子天平，FA20048，上海佑科仪器有限公司。

1.2 活性炭制备

将直径3 cm 左右槐木树枝，截取10 cm 长小段在110 ℃烘干箱干燥3 天。干燥的树枝段置于炭化炉中，N2保护，以5 ℃·min-1的升温速由室温升到500 ℃，在500 ℃下恒温炭化30 min 得槐木炭。将槐木炭研磨过100 目（0.15 mm）筛，称取2.00 g 放于磁舟中，置于活化炉中，N2保护，以5 ℃·min-1的升温速由室温升到650 ℃，在650 ℃下通入水蒸气，流量为30 g·h-1，恒温活化80 min，自然降温至室温得槐木活性炭。

1.3 活性炭吸附Pb2+

称取0.100 g 的活性炭置于锥形瓶中，向锥形瓶中加入一定体积（V0）的10.0 mg·mL-1的Pb(NO3)2溶液，用去离子水补齐到20 mL，搅拌均匀，在设置的温度下静置吸附一定时间，过滤，记录滤液体积（V1）。取滤液0.5 mL 于10 mL 容量瓶中，加入去离子水定容摇匀，在230 nm 波长下测吸光度A；参照工作曲线计算出滤液质量浓度（c1），再采用方程式（1）计算吸附量[12]。

式中：Q—吸附量，mg·g-1；

c0—初始质量浓度，mg·mL-1；

V0—初始体积，mL；

c1—平衡质量浓度，mg·mL-1；

V1—平衡体积，mL；

m—活性炭质量，g；

n—去除率，%。

1.4 铅离子工作曲线的绘制

1）配制10.0 mg·mL-1的 Pb(NO3)2标准溶液。分析天平秤取2.500 0 g Pb(NO3)2（AR）固体，加入适量去离子水使硝酸铅固体完全溶解，将完全溶解的Pb2+溶液转移至250 mL 容量瓶中，用去离子水冲洗烧杯内壁2～3 次，再加入去离子水将硝酸铅溶液定容至容量瓶标准刻度线处。

2）移取适量体积的10.0 mg·mL-1的 Pb(NO3)2标准溶液，放入10 mL 容量瓶中，配制成0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mg·mL-1的 Pb(NO3)2标准溶液，在230 nm 波长下测定标准溶液的吸光度A。以吸光度A为纵坐标，标准液质量浓度C为横坐标作图，即Pb(NO3)2为标准溶液的工作曲线，见图1。

由图1可见，在 Pb(NO3)2质量浓度范围0.05～0.25 mg·mL-1内，A-C线性关系良好，拟合方程为A=4.13c+0.135，R2=0.999 7

2 结果与讨论

2.1 Pb2+初始质量浓度的影响

称取0.100 g 的活性炭置于锥形瓶中，向锥形瓶中加入质量浓度为10.0 mg·mL-1的Pb(NO3)2溶液，用去离子水稀释到一定质量浓度，体积为20 mL，搅拌均匀，室温下静置吸附20 h，考察Pb2+初始质量浓度的影响，结果见图2。由图2可见，随着Pb(NO3)2初始质量浓度的增加，吸附量及去除率都增加，当质量浓度达到0.5 mg·mL-1吸附量达到最大值，之后基本不变，去除率在0.2～0.5 mg·mL-1范围内达到最大，之后降低。因此，确定Pb(NO3)2的最佳初始质量浓度为0.5 mg·mL-1。

2.2 吸附平衡时间的确定

取0.100 g 活性炭放入20 mL 初始质量浓度1.0 mg·mL-1的Pb(NO3)2溶液中，20 ℃下恒温吸附5、10、30、60、90、120 min，考察时间的影响，结果见图3。

由图3可以看出，在0～60 min 内，吸附量和去除率都随着时间地增加而增大，在60 min 时，吸附量和去除率都达到顶峰（202.0 mg·g-1和101%），随后随着时间的增长，吸附量和去除率都逐渐下降。这是因为活性炭的吸附可能为物理吸附过程，在长时间的吸附后，活性炭的脱吸附过程就大幅度加强，导致Pb2+吸附量下降。因此，60 min 为最佳吸附时间。

2.3 温度的影响

取0.100 g 活性炭放入20 mL 初始质量浓度1.0 mg·mL-1的Pb(NO3)2溶液中，用保鲜膜封住杯口，防止高温使溶剂挥发，在20.0、30.0、40.0、50.0、60.0、70.0 ℃的设置温度下恒温吸附60 min，考察温度的影响，结果见图4。由图4可以看出，随着温度的升高，吸附量降低，在温度为20 ℃时，活性炭吸附量最大（138.3 mg·g-1），模拟废水中的Pb2+去除率也达到最大值（72.60%）。因为对确定的吸附剂，在吸附质的质量浓度和压强一定时，温度越高，分子热运动较快，溶液中的吸附质就不容易被吸附。

2.4 吸附等温线及Pb2+去除率

在20 ℃恒温下，活性炭吸附Pb2+的吸附等温线和去除率见图5。

由图5可以看出，随着平衡质量浓度的逐渐增加，Pb2+吸附量也在不断地增加，但是模拟废水中的Pb2+去除率却在降低，由图5可见，在平衡质量浓度0.7 mg·mL-1时，Pb2+的吸附量（143.2 mg·g-1）与去除率（70.0%）都存在较大值。在确保去除率时选择低浓度，如大于80%，平衡质量浓度小于0.4 mg·mL-1；在确保吸附量时选择较高质量浓度，如大于140 mg·g-1，平衡质量浓度大于0.7 mg·mL-1。

2.5 吸附热力学模型

2.5.1 吸附热力学模型确定

Langmui 单分子层吸附等温式：

Freundlic 等温吸附方程式：

Temkin 等温吸附方程式：

式中：B—等于RT/b；

b—吸附热相关的常数，J·mol-1；

A—Temkin 等温线常数，L·g-1；

T—吸附温度，K[13]。

对图5实验数据进行数据拟合，结果见图6。

由图6可知，Langmuir 吸附模型 1/Q=2.715 11×10-4+0.004 71/c，R2=0.989 17；Freundlich 吸附模型lnQ=0.977 08lnc+5.310 42，R2=0.990 78 ；Temkin吸附模型Q=123.506 05lnc，R2=0.944 61。3 种吸附模型拟合情况是不相同的，Langmuir 和Freundlich吸附模型的相关系数R2较高，说明本实验数据符合这两种吸附模型。而且Freundlich 吸附模型更符合本次实验。Langmuir 吸附模型的机理是单分子层吸附，在吸附量到达最值后无法继续增加，符合前面的结论。Temkin 吸附模型的本质是吸附剂和吸附质之间通过范德华力相互作用，属于物理吸附。随着温度的升高，吸附剂与吸附质间的作用力增大，从而使更多的分子粘附在活性炭表面，促使吸附量增大。但是由图4可以看出，吸附量随温度的升高逐渐下降，因此Temkin 吸附模型的相关系数较小就可以理解。

2.5.2 吸附热力学参数

由图4数据，根据ΔG范德霍夫公式（6）[14]，以lnKq对1/T作图得直线，见图7。由图7可知，lnK=2.114 38/T-1.018 4，R2=0.979 9，求得ΔH和ΔS列于表1，再根据ΔG=ΔH-TΔS求得不同温度下的吉布斯自由能ΔG于表1。

表1 铅离子的吸附热力学参数

由表1可知，Pb2+在槐木活性炭的吸附焓变值小于0，表明吸附是放热过程，降低温度有利于吸附过程的进行，与上文的结论吻合。槐木活性炭吸附Pb2+的熵变是负值，是因为吸附过程本质上是吸附质从无序到有序的过程，因此熵变为负值，说明槐树活性炭对Pb2+的吸附能力大于对溶剂的吸附。ΔG小于0 且随温度的变化较小，说明此吸附是自发过程，且温度的影响不是第一主要因素。