硝酸改性龍眼殼活性炭對Pb(Ⅱ)的吸附性能研究

黃慧珍

(漳州職業(yè)技術學院食品工程學院，福建 漳州363000)

近年來隨著冶金、采礦、石油化工、印染、皮革鞣制等行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的含鉛廢水[1]。水中的鉛會通過食物鏈在人體中進行累積，并與人體中的活性酶、蛋白質等作用，最終影響人體健康[2]。目前對鉛的處理方法主要有離子交換法、吸附法、化學還原法和液相萃取法等，其中吸附法由于其設備簡單、操作容易、成本低等優(yōu)點而被廣泛應用[3,4]。

我國是農(nóng)業(yè)大國，擁有大量含有纖維素、半纖維素的農(nóng)林廢棄物，這些農(nóng)林廢棄物含有羧基、酚羥基和羰基等活性基團，是重金屬離子的活性吸附位點，但其吸附容量還比較低，不夠理想，必須對其進行改性[5,6]?；钚蕴烤哂邪l(fā)達的孔隙結構和巨大的比表面積，對重金屬和有機污染物有較強的吸附性能，因此成為廢水處理領域的研究熱點[7]。龍眼(DimocarpuslonganLour.)殼是龍眼干生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種農(nóng)林廢棄物，是一種對重金屬離子具有潛在吸附能力的農(nóng)林廢棄物。本研究以龍眼殼為原料，以硝酸為改性劑，制備硝酸改性龍眼殼活性炭(LCN)，并吸附水溶液中的Pb(Ⅱ)，研究了pH、吸附溫度、Pb(Ⅱ)質量濃度、吸附時間對Pb(Ⅱ)吸附量的影響。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

PHS-3C型精密pH計(上海精密科學儀器有限公司)；TAS990型原子吸收分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)；WD800ASL23K1型格微波爐(廣東格蘭仕集團有限公司)。

硝酸鉛、硝酸、氫氧化鈉等均為分析純；鉛標準試劑(國家質檢中心)。

1.2 LCN的制備

將龍眼殼用蒸餾水洗凈，并在鼓風干燥箱中烘干至恒重，粉碎，取60目與80目的產(chǎn)品。在功率為700W的微波爐中活化10min，冷卻后備用。取20g的龍眼殼活性炭，置于500mL的燒瓶中，加入150mL 1mol/L的硝酸，混合均勻后在水浴鍋中回流2h，結束后過濾，濾渣用蒸餾水洗至中性，在50℃下烘干，即得改性龍眼殼活性炭，置干燥器中備用。

1.3 LCN對Pb(Ⅱ)的吸附

稱取一定量的LCN于錐形瓶中，加入實驗所需濃度的硝酸鉛溶液，并用1mol/L的HNO3溶液和NaOH溶液將溶液調節(jié)至所需要的pH，置于恒溫水浴振蕩器中，振蕩到設置時間，過濾，按文獻[8]的方法用原子吸收分光光度計測定上清液中Pb(Ⅱ)濃度，采用式(1)計算吸附量，采用式(2)計算去除率：

(1)

(2)

式中：qt代表t時刻時LCN對鉛離子的吸附量；C0和Ct代表吸附前和吸附t時刻時溶液中鉛離子的濃度，mg/L；V為吸附液的體積，L；M為LCN的用量，g；R為去除率，%。

2 結果與分析

2.1 pH對吸附性能的影響

圖1 pH對吸附性能的影響

固定LCN用量為0.05g、Pb(Ⅱ)質量濃度100mg/L、吸附時間40min、吸附溫度298K，考察溶液pH對吸附性能的影響。由圖1可知，隨著pH的增加，LCN對Pb(Ⅱ)的吸附量也增大，當pH為5時，LCN對Pb(Ⅱ)的吸附量達到最大，這是因為隨著溶液中pH的增大，溶液中的H+濃度降低，降低了H+與Pb(Ⅱ)的競爭吸附，促進了LCN對Pb(Ⅱ)的吸附，但當溶液的pH較大時，溶液中的Pb(Ⅱ)易與OH-結合而沉淀，使得LCN對Pb(Ⅱ)吸附量的下降，因此,選擇pH為5。

2.2 溫度對吸附性能的影響

圖2 溫度對吸附性能的影響

固定LCN用量為0.05g、Pb(Ⅱ)質量濃度100mg/L、pH 5、吸附時間40min，考察吸附溫度對吸附性能的影響。由圖2可知，隨著吸附溫度的升高，LCN對Pb(Ⅱ)的吸附量增加，這是因為隨著吸附溫度的升高，溶液中的Pb(Ⅱ)的平均動能增大，促進了Pb(Ⅱ)與LCN的碰撞與吸附，使得吸附量增大。但當溶液的溫度從298K上升到318K時，LCN對Pb(Ⅱ)的吸附量從192.72mg/g上升到193.84mg/g，吸附量僅提高了0.58%。因此，實際吸附過程選擇常溫(298K)即可。

2.3 Pb(Ⅱ)質量濃度對吸附性能的影響

圖3 Pb(Ⅱ)質量濃度對吸附性能的影響

固定LCN用量0.05g、pH 5、吸附時間40min、吸附溫度298K，考察Pb(Ⅱ)質量濃度對吸附性能的影響。由圖3可知，隨著溶液中Pb(Ⅱ)質量濃度的增大，LCN的吸附量逐漸增大，而Pb(Ⅱ)的去除率卻逐漸減小。這是因為隨著Pb(Ⅱ)濃度的增加，溶液中有更多的Pb(Ⅱ)可供LCN所吸附，使得LCN吸附量增大，而當Pb(Ⅱ)濃度過大時，LCN已達到飽和吸附，LCN表面已無更多的活性吸附位點供Pb(Ⅱ)吸附，使得大量Pb(Ⅱ)出現(xiàn)剩余，而導致Pb(Ⅱ)去除率的下降。因此，Pb(Ⅱ)的濃度選擇為100mg/L。

2.4 吸附時間對吸附性能的影響

圖4 吸附時間對吸附性能的影響

固定LCN用量0.05g、Pb(Ⅱ)質量濃度100mg/L、pH 5、吸附溫度298K，考察吸附時間對吸附性能的影響。從圖4可知，隨著吸附時間的延長，LCN對Pb(Ⅱ)的吸附量逐漸增大，當吸附時間到達40min時，吸附已達到動態(tài)平衡。這是因為吸附剛開始時，溶液中的Pb(Ⅱ)濃度大，吸附量增加得較快，而隨著吸附時間的延長，溶液中Pb(Ⅱ)濃度逐漸減小，表現(xiàn)出LCN對Pb(Ⅱ)的吸附量的緩慢增加，最終達到吸附平衡。因此，吸附時間選擇為40min。另外，從圖4還可以看出，硝酸改性后的龍眼殼活性炭對Pb(Ⅱ)的吸附量為192.72mg/g，明顯高于改性前的吸附量165.54mg/g，說明硝酸改性能顯著提高龍眼殼活性炭對Pb(Ⅱ)的吸附能力。

2.5 吸附動力學

利用準一級動力學模型和準二級動力學模型對LCN吸附Pb(Ⅱ)進行模擬[9]，得到LCN吸附Pb(Ⅱ)的吸附動力學模型。

準一級動力學表達式為：

(3)

積分得：

(4)

準二級動力學表達式為:

(5)

積分得：

(6)

圖5 準一級動力學模型

圖6 準二級動力學模型

式中：K1(min-1)和K2(g/(mg·min))分別為準一級和準二級吸附速率常數(shù)；qe和qt分別為吸附平衡時和t時間LCN對Pb(Ⅱ)的吸附量，mg/g。

將LCN吸附Pb(Ⅱ)的實驗數(shù)據(jù)分別代入準一級動力學方程和準二級動力學方程，結果如圖5和6所示。從圖5、圖6可以看出，準二級動力學模型方程(y=0.0048x+0.0153，R2=0.9987)所計算出來的相關系數(shù)R2比準一級動力學模型(y=-0.131x+5.0026，R2=0.9606)的要大，說明準二級動力學模型更符合改性龍眼殼對Pb(Ⅱ)的吸附過程，由準二級動力學模型方程得到準二級吸附速率常數(shù)K2=1.51×10-3g/(mg·min)，理論平衡吸附量qe=208.33mg/g。

2.6 吸附等溫線

用Langmuir和Freundlich模型來對LCN對Pb(Ⅱ)的吸附進行描述[10]，其中：

Langmuir等溫吸附方程

Freundlich等溫吸附方程

式中：Ce為吸附平衡時溶液中Pb(Ⅱ)質量濃度，mg/L；qm為吸附劑的最大吸附量，mg/g； b為Langmuir 常數(shù)，L/mg。Kf(mg·g-1(L/mg)1/n)和n為Freundlich模型常數(shù)。通過LCN對不同濃度的Pb(Ⅱ)的吸附實驗，根據(jù)平衡時的吸附量與溶液中的Pb(Ⅱ)濃度之間的關系作出吸附等溫線(圖7、圖8)。從圖7和圖8可以看出，與Freundlich等溫方程相比，Langmuir等溫方程更符合改性龍眼殼活性炭對Pb(Ⅱ)的吸附，說明改性龍眼殼活性炭對Pb(Ⅱ)的吸附以單分子層吸附為主。通過等溫方程的擬合，得到改性龍眼殼活性炭對Pb(Ⅱ)的最大吸附量為196.08mg/g。

圖7 Langmuir吸附等溫式圖8 Freundlich吸附等溫式

3 結論

本研究以龍眼殼為原料，以硝酸為改性劑，制備硝酸改性龍眼殼活性炭，并吸附水溶液中的Pb(Ⅱ)。結果表明，硝酸改性能顯著提高龍眼殼活性炭對Pb(Ⅱ)的吸附能力，當改性龍眼殼活性炭用量為0.05g、pH為5、吸附時間40min、吸附溫度298K，Pb(Ⅱ)質量濃度為100mg/L時，LCN對Pb(Ⅱ)的吸附量為192.72mg/g，準二級吸附動力學模型更符合該吸附過程。LCN對Pb(Ⅱ)的吸附行為更符合Langmuir 等溫吸附方程，說明LCN對Pb(Ⅱ)的吸附是以單分子層吸附為主，通過等溫方程的擬合，得到LCN對Pb(Ⅱ)的最大吸附量為196.08mg/g。

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