ICP-OES研究活性炭无纺布对镉的吸附

摘要：

重金属污染是一个相当严重的环境问题.镉具有很强的生物毒性和不可降解性, 对生态环境和人体健康有极大威胁, 被列为优先控制污染物.环境中镉的主要污染源是电镀、采矿和化学工业等部门的废水, 如何简单高效去除水中的镉, 有重要的社会意义和经济意义.目前, 水中重金属的去除方法有化学沉淀、膜分离、离子交换、吸附、电解等, 其中吸附法因简单高效而广泛应用.活性炭纤维是一种新型活性炭, 孔径小且均匀, 表面官能团发达, 吸附性能好, 逐步应用于水处理领域.以电感耦合等离子体光谱为检测手段, 佐以比表面积分析, X射线衍射, 元素分析和傅里叶变换红外光谱, 研究比较了三种活性炭纤维 (纤维炭网、活性炭无纺布、活性炭纤维毡) 的结构特点及其对水中镉的吸附性能.三种活性炭纤维结构基本类似, 具有较发达的孔隙结构.活性炭无纺布极性较强, 表面有丰富的羟基、羧基、醛基等含氧官能团, 对水中镉的吸附作用最大.因此, 选择活性炭无纺布为吸附剂进行后续实验.研究了活性炭无纺布吸附镉的影响因素, 如溶液pH, 吸附时间等.溶液pH影响吸附剂表面电荷及水中镉的存在状态.水中镉的去除效率随溶液初始pH的增大而增大, 在较低pH时, 吸附剂与Cd2+间存在静电斥力, 同时H+和Cd2+存在竞争吸附, pH＞9时, 镉的去除是吸附与沉淀协同作用的结果, 选择pH为6～7.在吸附的初始阶段, 活性炭无纺布对Cd2+的吸附量迅速增加, 10 min时, 吸附率达到72％.随着吸附位点逐渐被Cd2+所填充, 吸附速率逐渐变慢, 300 min时, 吸附容量基本无变化, 吸附趋于平衡.优化了镉的吸附条件后, 进行等温吸附实验和动力学实验.结果表明, 25℃时, 吸附时间为300 min, pH 6.0条件下, 当镉的平衡浓度在20.00 mg·L-1时, 活性炭无纺布对镉的单位质量吸附量和单位比表面积吸附量分别是3.04 mg·g-1和0.035 mg·m-2.用Langmuir方程 (R2=0.997, KL=1.796 L·mg-1) 和Freundich方程 (R2=0.895, KF=0.918 L·mg-1, n=2.12) 拟合活性炭无纺布对镉的等温吸附数据, Langmuir方程计算的理论吸附量为3.07 mg·g-1, 与实验值相当, 并且线性系数更高, 说明该体系的吸附符合Langmuir方程, 主要为单分子层吸附.Langmuir分离因子介于0和1之间, 表明活性炭无纺布对镉的吸附容易进行.用准一级动力学方程、准二级动力学方程、颗粒内扩散方程和Elovich方程四种动力学模型拟合吸附过程.在吸附的前5 min, 镉在活性炭无纺布上的吸附符合颗粒内扩散方程 (R2=0.985), 吸附主要受颗粒内扩散控制.在吸附的5～300 min, 颗粒内扩散方程拟合较差.整个吸附过程符合准二级动力学方程 (R2=0.999, k2=0.367 g·mg-1·min-1), Elovich方程 (R2=0.981, a=0.271 mg·g-1, b=0.083 mg·g-1· (lg min) -1) 和准一级动力学方程 (R2=0.927, k1=0.008 8 min-1) 次之, 颗粒内扩散方程 (R2=0.785) 最差.活性炭无纺布对镉的吸附过程是一种化学作用为主的吸附过程.对5.00 mg·L-1含镉水样, 活性炭无纺布投放量为10 g·L-1时, 吸附后水中镉的浓度小于0.10 mg·L-1, 符合《污水综合排放标准》 (GB 8978—1996).活性炭无纺布可同时吸附镉, 铜, 铅, 铬等重金属离子, 选择性较差.但在电镀、采矿等实际废水中重金属种类复杂, 适当提高吸附剂投放量, 可同时去除多种重金属.利用活性炭无纺布吸附处理含镉水样, 处理效果好、操作简单, 可以作为去除水中镉的吸附剂, 为含镉废水的处理提供了技术支持和理论基础.

关键词：镉、活性炭无纺布、电感耦合等离子体光谱、吸附

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分类号：O657.3(分析化学)

资助基金：国家自然科学基金项目41302190,41502336;中国地质科学院基本科研业务费项目YYWF201729

在线出版日期：2019-06-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共6页

页码：931-936