改性生物吸附材料對廢水中Cr6+的吸附性能研究

齊丹+王玉杰

摘 要：為使農林廢棄物得到有效利用，減少資源浪費和環境污染，用酸溶液對木屑進行改性，研究改性前后對廢水中Cr6+的吸附性能和吸附機理。研究結果表明：改性木屑的吸附性能明顯優于未改性木屑。改性木屑最佳吸附平衡時間為1.5 h，且在pH小于4以下的酸性環境下表現出較強的吸附能力，對低濃度的含鉻廢水吸附效果更明顯，吸附效果隨著吸附劑投加量的增加先增高后逐漸達到平衡。通過吸附機理研究得出：木屑吸附動力學與Langmuir吸附等溫模型相吻合。

關鍵詞：改性 木屑 吸附 吸附性能

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0080-04

農林廢棄物指農業和林業生產與加工過程中產生的副產品和廢棄物[1]。作為生物質材料，廉價易得的農林廢棄物主要成分為纖維素、半纖維素和木質素，還含有少量粗蛋白、脂肪、單寧、生物堿、甾醇等[2-3]。這些物質中含有大量醇-OH、酚-OH、醚-O-、-NH2-、醛-CHO和酮-CO等極性基團，有助于吸附廢水中的重金屬離子[4]。尤其是在對它們改性處理后，對重金屬廢水的去除率更是明顯提高[5-6]。我國對于農林廢棄物的處理絕大部分是直接焚燒或填埋，只有小部分用于能源化、飼料、肥料和材料化應用中，對資源造成了浪費、對環境造成了污染。該實驗研究改性木屑對廢水中六價鉻的去除效果，分析吸附劑投加量、pH值、吸附時間、鉻離子初始濃度對吸附效果的影響，并對吸附機理進行研究。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

杉木木屑。

1.2 主要儀器設備

UV-2550型紫外可見分光光度計（島津企業管理有限公司）；FA2204B型電子天平（上海精科天美儀器廠）；JJ-4型六聯同步電動攪拌器（金壇市中央儀器廠）；TDL-80-2B型高速臺式離心機（金壇市盛藍儀器廠）；DEF-OB型真空干燥箱（金壇市盛藍儀器廠）；SHB-Ⅲ型循環水式多用真空泵（鄭州長城科工貿公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 預處理

木屑除掉可見雜質，用一定濃度的NaOH溶液除色，并除掉上層浮渣。然后水洗至中性，抽濾，105 ℃干燥、冷卻后粉碎過100目篩，備用。

1.3.2 改性

將經過預處理的木屑用10%的磷酸溶液加熱煮沸，靜置浸泡3 h后，用純水洗至中性，于110 ℃干燥箱中干燥，取出冷卻后過100目篩，即得到試驗所需的改性木屑。

1.3.3 六價鉻波長的掃描

50 mL具塞比色管中加入0.2 mL鉻標準使用液，用純水稀釋到刻度，加入（1+1）硫酸和（1+1）磷酸各0.5 mL，搖勻，再加入2 mL顯色劑，搖勻。10 min后，用紫外可見分光光度計掃描，確定顯色波長。

1.3.4 六價鉻的標準曲線繪制

方法同1.3.3，分別取鉻標準使用液0 mL、0.20 mL、0.50 mL、1.00 mL、2.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL和10.00 mL進行顯色反應，用紫外可見分光光度計于542 nm處掃描，繪制標準曲線。

1.3.5 單因素實驗的設計

設定吸附時間、pH、吸附劑投加量、廢水初始濃度4個單因素，每個單因素5個水平，考察不同吸附條件對鉻離子去除率的影響。

（1） 取100 mL、100 mg/L模擬廢水，分別投加改性和未改性吸附劑1 g，原水pH下，攪拌0.5 h，靜置吸附時間設為0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h，離心分離，掃描計算去除率。

（2） 配置模擬廢水濃度分別為50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L，各取100 mL，分別投加改性和未改性吸附劑1 g，原水pH下，攪拌0.5 h，靜置吸附1 h，離心分離，掃描計算去除率。

（3） 取100 mL、100 mg/L模擬廢水，分別投加改性和未改性吸附劑0.5 g、1 g、1.5 g、2 g、2.5 g，原水pH下，攪拌0.5 h，靜置吸附1 h，離心分離，掃描計算去除率。

（4） 取100 mL、100 mg/L模擬廢水，分別投加改性和未改性吸附劑1 g，pH分別調至2、4、6、8、10，攪拌0.5 h，靜置吸附1 h，離心分離。再將離心上清液pH調至中性，掃描計算去除率。

1.3.6 吸附等溫線擬合

室溫條件下，稱取各1 g木屑和改性木屑，分別投加到體積為100 mL，濃度分別為50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L的模擬廢水中，攪拌0.5 h，靜置吸附1.5 h，待所有溶液吸附達到平衡后，測定廢水中剩余Cr6+濃度，分別做Langmuir式和Freundlich線性擬合。

2 結果與分析

2.1 Cr6+的光譜掃描

按1.3.3中試驗方法掃描Cr6+的紫外可見吸收光譜，見圖1。結果表明，在542 nm處有最大吸收峰，因此確定樣品溶液吸光度波長為542 nm。

2.2 Cr6+標準曲線

按1.3.4中試驗方法掃描繪制Cr6+標準曲線，見圖2。

2.3 單因素實驗結果及分析

2.3.1 靜置吸附時間對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（1）中試驗方法，研究不同靜置吸附時間對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結果見圖3。

由圖3可知：改性木屑在處理含Cr6+廢水中的吸附性能明顯優于未改性木屑。靜置吸附時間對未改性木屑吸附能力的影響不是特別明顯，只有小幅度地增加；而對改性木屑吸附能力影響較大，隨著靜置吸附時間的增加去除率明顯升高，在1.5 h處，幾乎達到吸附平衡。

2.3.2 廢水初始濃度對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（2）中試驗方法，研究不同Cr6+初始濃度對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結果見圖4。

由圖4可知：廢水初始濃度對木屑和改性木屑處理含Cr6+廢水影響較大，隨著污水中Cr6+初始濃度的增加兩種吸附劑的去除率直線下降，改性木屑的吸附性能稍優于未改性吸附劑，因此改性木屑在低濃度含鉻廢水中吸附性能較好。

2.3.3 吸附劑投加量對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（3）中試驗方法，研究不同投加量對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結果見圖5。

由圖5可知：吸附劑投加量對木屑處理廢水影響較為明顯，且改性木屑吸附性能明顯優于未改性木屑。改性木屑和未改性木屑均在投加1 g時表現出去除率不再明顯升高的現象，且最高的去除率也只能達到25%左右，Cr6+未完全去除。根據現象，分析原因為在處理后期，當投加木屑較多時，由于木屑粒徑太小，容易導致木屑結塊在一起，影響吸附的進行。

2.3.4 pH值對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（4）試驗方法，研究不同pH對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結果見圖6。

由圖6可知：pH對木屑和改性木屑吸附Cr6+廢水影響較大，均表現出在酸性條件下的處理效果優于堿性條件；改性木屑吸附性能明顯優于未改性木屑。

2.4 吸附等溫線繪制及擬合

按1.3.6中試驗方法，根據反應前后重金屬溶液的濃度差、反應體積、吸附劑用量計算出吸附劑的平衡吸附量，根據實驗結果繪制等溫吸附線，結果見圖7。

木屑吸附廢水中Cr6+的Langmuir和Freundlich等溫吸附擬合曲線如圖8和圖9所示。

表1和表2分別計算并列出木屑吸附廢水中Cr6+的Langmuir和Freundlich等溫吸附擬合的相關參數。

由表1和表2可知，木屑吸附廢水中Cr6+的吸附模型基本屬于Langmuir吸附模型。相較于Freundlich吸附模型，Langmuir吸附模型的相關性較好，所以，木屑吸附廢水中Cr6+屬于Langmuir吸附，屬于單分子層吸附。

3 結論

該試驗通過用木屑和改性木屑作為新型生物吸附劑，對K2Cr2O7模擬工業廢水中Cr6+進行吸附，得出以下結論。

（1）改性木屑作為新型生物吸附劑對重金屬鉻的吸附性能明顯優于未改性木屑。

（2）對于木屑及改性木屑，平衡的吸附時間為在靜置吸附1.5 h時，在低濃度廢水中吸附效果明顯優于高濃度廢水中吸附的效果；當吸附劑投加量達到一定質量時，去除率不再明顯上升；在酸性條件下吸附效果明顯優于堿性條件下。

（3）在繪制吸附等溫線的試驗中，發現木屑及其改性均較符合Langmuir吸附模型。

4 結語

通過實驗研究可知，木屑可以作為對重金屬廢水處理的新型生物吸附劑進行開發研究。同時，以林農廢棄物作為原料，不僅減少了農林生產過程中產生的廢棄物，減少了對資源的浪費和環境的污染，還有利于經濟與環境的協調發展。

參考文獻

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