活性炭吸附富集-電感耦合等離子體質譜法測定水中重金屬鉛鎘銅

活性炭吸附富集-電感耦合等離子體質譜法測定水中重金屬鉛鎘銅

活性炭法處理廢水在許多污染中，重金屬顆粒不能被自然分解，容易通過鏈式結構進入人體，嚴重危及人類健康。因此，水污染越來越受到重視。鉛、鎘、銅及其化合物因廣泛應用于采礦、冶煉、電子、電鍍、石油、肥料制造等行業(yè),已成為污水中的重要污染源而備受人們的關注,在環(huán)保、衛(wèi)生、食品等部門世界各國均有嚴格的法規(guī)限制其允許量?；钚蕴孔鳛橐环N非極性吸附劑,來源豐富,是目前廢水處理中應用最廣的吸附劑之一。它具有良好的吸附性能和穩(wěn)定的化學性質,可以耐強酸、強堿,能經受水浸、高溫、高壓作用,同時還可以活化再生。吸附法處理廢水的經濟應用主要取決于活性炭制備材料的費用,因此低能耗的材質選擇用于制備活性炭成為目前研究的熱點。在此項工作中,本文研究了自制的石油焦活性炭對重金屬銅鉛鎘離子的吸附去除能力,測定了不同條件對活性炭吸附溶液中鉛鎘銅離子的影響,為處理微量重金屬廢水作出有意義的探索。1實驗部分1.1等離子體光譜儀器:LiDApHs-3cprecisionpH/mvMeter,AB104-N分析天平,盛華SHA-B恒溫振蕩器,SA3100TM比表面積和孔徑分析儀,電熱恒溫干燥箱,IRISAdvantagingER/S全譜直讀電感耦合等離子體光譜儀(ICP)。試劑:氫氧化鈉、硝酸、硝酸鉛、硝酸鎘、硝酸銅等均為分析純1.2總孔容積的測定經分析得自制活性炭的性質為:比表面積1090.31m2/g;總孔容積=0.5676ml/g;微孔容積0.2958ml/g;苯酚吸附值為174.93mg/g,碘吸附值975.72mg/g。1.3吸附試驗1.3.1標準曲線的繪制取不同量的標準離子溶液,調節(jié)pH后定容于100mL容量瓶中,配制一系列不同濃度的標準溶液,用ICP測定并繪制準標準曲線。1.3.2重金屬離子檢測靜態(tài)吸附法:稱取一定量粉狀活性炭置于250mL錐形瓶中,向瓶中加入一定濃度的金屬離子水溶液,在振蕩器上以中速振蕩一定時間,分離上清液并測定其中重金屬離子的濃度。離子的測定方法:吸附前后的重金屬離子濃度用ICP測定,實驗結果用吸附容量表示。2結果與討論2.1ph值對活性炭吸附活性的影響活性炭表面各類含氧基團、官能團,主要以-CHO,-OH,-COOH,-C=O四種形式存在,它們通常是活性炭吸附的活性中心。pH值作為重要的介質因素,不僅僅影響吸附點解離,而且影響重金屬離子的溶液化學水解,氧化還原反應和沉淀。了解到一般工業(yè)廢水中重金屬離子的平均濃度為60mg/L,而當重金屬離子初始濃度為60ppm時,金屬離子存在的pH范圍為1～7,因此本實驗選擇在pH值3.0～6.5,結果如圖1所示。從圖上可以看到當溶液的pH在3.0～6.5之間時,隨著pH值升高,活性炭吸附容量升高,但是隨著pH的繼續(xù)升高,吸附容量反而降低。這是因為在pH值很小的時候,溶液中存在大量的H+離子,活性炭表面的-CHO,-OH,-COOH,-C=O會跟溶液中的H+結合,改變了活性炭表面的親和性,此時,活性炭的有效活性中心被H+占據,重金屬離子沒有充分被吸附,所以吸附量相對較低。隨著溶液的pH值的升高,跟活性炭表面官能團結合了的H+會發(fā)生離解,使得大量的活性中心暴露在外面,重金屬離子將占據這些活性中心而有效地被吸附,所以吸附量是隨著pH值的增大而增大的。但是隨著pH值繼續(xù)增大,溶液中的OH-與金屬離子的化學作用力增大,導致吸附量的相對下降,因此本實驗選擇最佳pH值為4.8。2.2溫度對吸附過程的影響活性炭對重金屬的吸附作用實際為吸附和脫附兩個過程的競爭,一般吸附是放熱過程,低溫有利;而脫附是吸熱過程,高溫有利。本次模擬實驗中固定其他條件(鉛鎘銅溶液100mL,pH4.8,初始濃度60mg/L,活性炭用量0.3000g,恒溫振蕩2hrs),對20℃～70℃的吸附過程進行了考察,結果如圖2所示。從圖可以看出低溫時溫度對吸附容量影響不大,而且對重金屬的吸附可達很好的效果。因此從微觀的角度,溫度主要是影響分子的布朗運動,而本實驗所用的活性炭是中孔徑的,能夠很有效地吸附溶液中的金屬離子,所以金屬離子能夠很好地進入活性炭的孔隙達到吸附平衡。而當溶液溫度較高(高于50℃)時,液相吸附熱雖然較小,但是由于分子熱運動的加劇,導致對吸附平衡的破壞,吸附容量有所減小,表現為物理吸附性能的特性。因此本實驗過程選擇溫度為室溫25℃。從實驗數據來看,重金屬離子的吸附量波動變化不是很大,這說明自制活性炭適用于實際環(huán)境水樣中重金屬廢水的處理。2.3活性炭投加量的影響對于相同的溶液,隨著活性炭用量的增加,被吸附離子的相對濃度是降低的,吸附效果是增強的,但它的單位吸附量呈現減小的趨勢,活性炭的用量對吸附有一定的影響,為了探索它的影響,我們恒定其他條件(鉛鎘銅溶液100mL,pH4.8,初始濃度60mg/L,恒定室溫振蕩2hrs),分別稱取0.0500g,0.1000g,0.2000g,0.3000g的活性炭加入其中,分析結果見圖3。由圖3可知:隨著活性炭投加量的增大其對溶液中金屬離子的吸附容量逐漸減少,對于相同投加量的活性炭對銅離子的吸附容量最高,鉛離子次之,鎘離子最少。對于一定濃度的鉛鎘銅離子來說,隨著活性炭用量的增加,各種離子的吸附效率也隨之增加,因為當原水中濃度一定時吸附劑量增加,可供吸附的活性位點增多,吸附劑上吸附的吸附質絕對量增加,則達到吸附平衡時,吸附質的平衡濃度降低,因而吸附去除率升高,但吸附容量卻隨著吸附劑量增加而降低,其原因是吸附劑量增加,平衡濃度降低,單位吸附劑的相對吸附容量卻隨之下降。因此60mg/L的100ml溶液中,結合去除效果和吸附容量,活性炭的用量選擇為0.2000g。2.4振蕩時間的確定在活性炭的吸附過程中,振蕩時間對吸附效果也有較大的影響,溶液中的吸附質占據活性中心是一個漸進的過程,即需要一定的時間來使吸附達到平衡,這一段時間即所謂的吸附平衡時間。只有達到了吸附平衡時間,活性炭才能最大限度的發(fā)揮效能。固定其他條件不變(鉛鎘銅溶液100mL,pH4.8,初始濃度60mg/L,活性炭用量0.2000g,恒定室溫),分別振蕩不同時間,結果見圖4。可以看出,三種重金屬離子在活性炭上的吸附容量均隨吸附時間的增加而增加,但當吸附時間達60min左右時則基本不變。開始時吸附容量上升很快是因為此時重金屬離子在活性炭上的吸附主要發(fā)生在外表面上,隨著吸附的進行,吸附質逐漸由大孔經過過渡孔深入到微孔中,重金屬在內孔中傳質速度逐漸減慢,吸附容量隨時間緩慢增加,直至達到吸附平衡。因此,在靜態(tài)吸附影響因素的實驗中取振蕩時間為60min,而在等溫吸附實驗中,為了確保吸附充分達到平衡,取振蕩時間為24hrs。2.5活性炭吸附法檢測鉛鎘銅的吸附能力靜態(tài)吸附容量也是描述和預測活性炭的吸附性能的重要指標,因此根據活性炭吸附前后樣品濃度的變化,選用Freundlich模型和Langmuir模型來進一步分析其吸附性能。在室溫的條件下,固定活性炭加入量0.2000g、pH4.8和震蕩時間24hrs等條件,對一系列不同濃度的重金屬離子進行吸附實驗,測試在吸附平衡后相對應的溶液中金屬離子濃度,所得數據換算為吸附量,分別繪制了鉛鎘銅的吸附等溫線。鉛鎘銅金屬離子在活性炭上的吸附行為遵循Langmuir公式,并且在所考察的濃度范圍內,吸附行為又符合Freundlich方程。F型和L型吸附等溫線如圖5所示,其相關參數見表1。R2相關系數,F型和L型擬合相關均達到0.95以上,表明活性炭對金屬離子的吸附符合吸附等溫方程。根據L型模型,Qm是理論飽和吸附容量,b是Langmuir常數,與吸附能量有關,是表征吸附能力的常數,因此活性炭對金屬離子吸附容量和吸附能力大小順序為Cu2+>Pb2+>Cd2+。分析F型模型,n大則吸附趨勢大,即金屬離子濃度對吸附的影響趨勢是Cu2+>Cd2+>Pb2+;K值的大小可大致判斷吸附能力的強弱,吸附能力是Cu2+>Pb2+>Cd2+,與L型類似。3活性炭吸附法(1)經過以上實驗分析得出該活性炭吸附金屬離子的最佳條件:100mL溶液最佳pH值4.8,活性炭的投加量0.2000g;吸附過程受溫度影響不大,試驗取室溫;如果工藝流程要求快速有效,時間可設定為60min,如果靜沉作為工藝流程之一,且要求高去除率,處理時間則設定為10～12小時。(2)吸附的機理一般為離子交換,化學反應吸附或捕集物理吸附,由于活性炭吸附可以用F型和L型模型進行較好的擬合,線性相關系數均在0.95以上,說明三種金屬離子在活性炭上的吸附屬單分子層吸附,該吸附過程屬于物理吸附和化學吸