磁性碳納米管對水中Cr（VI）污染物的去除研究

黃 捷

（紹興市第一初級中學，浙江 紹興 312000）

0 前言

隨著工業的發展，水資源污染已非常嚴峻，成為了制約我國可持續的重要因素。水體資源與我們生活息息相關，而水中的重金屬對人類健康和環境的影響十分嚴重。Cr（VI）被公認是毒性最強的重金屬之一。鉻污染主要來源于金屬加工、電鍍、制革等行業所排出的工業廢水。長期接觸受Cr（VI）污染的水源會引起肺癌、咽鼻癌等重大疾病。若是任由Cr（VI）污染的工業廢水直接排入環境，不僅對人體健康、生態環境造成破壞，加劇對水資源的污染，同時也加重了環境治理的負擔，不利于經濟的發展[1-2]。因此，如何有效處理水體中的Cr（VI）污染具有非常重大的意義。吸附法由于具有成本低、操作簡單等優點，在重金屬污染治理中具有非常重要的應用。而碳納米管表面功能基團豐富，與重金屬有著很好的鍵合作用，是一種理想的吸附劑。若制成負載了鐵氧化物的碳納米管，即碳納米管磁性復合材料，由于既能表現出鐵氧化物的磁性，又能表現出碳納米管吸附的高效能，再將其運用到污染水體的吸附處理當中，便可解決廢水處理和吸附劑循環使用的問題[3-4]。為此，本論文采用了液相共沉淀法來制備碳納米磁性復合材料，然后將磁性碳納米管用于合成廢水中Cr（VI）污染的治理，考察了常見水參數對吸附的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

分析天平和pH計（AL204，梅特勒-托利多），自動取樣器（HQ-KL/500型，襄陽凱利華機電有限責任公司），超級恒溫水浴鍋（HH-501型，常州中捷實驗儀器制造有限公司），調速多用振蕩器（ZD-2型，江蘇金壇市金城國勝實驗儀器廠），可見分光光度計（722型，上海光譜儀器有限公司）。碳納米管 （CNTs）（CNT102型，深圳比爾科技公司），FeCl3·6H2O（96.0%～99.0%，湖北盛世環保科技有限公司），FeSO4·7H2O（≥99.0%，無錫市凱爾化工產品有限公司），濃HNO3（≥98.0%，濟南央博光化工有限公司），重鉻酸鉀（分析純，上?；瘜W試劑廠），NaOH（≥96.0%，淄博環拓化工有限公司）。

1.2 碳納米管磁性復合材料

采用液相共沉淀法將Fe2+和Fe3+負載在經濃HNO3氧化后的碳納米管表面制得碳納米管-鐵氧化物磁性復合材料。首先將碳納米管用濃HNO3氧化處理，目的是使碳納米管表面的官能基團化。制成500 mL經濃HNO3氧化碳納米管懸浮液，經過超聲波分散儀的分散使之溶解。分別稱取 2.95 g 的 FeCl3·6H2O 和 1.55 g 的 FeSO4·7H2O， 將 FeCl3·6H2O 和 FeSO4·7H2O 配制成20 mL溶液并在N2的氛圍中進行70℃的恒溫加熱。在碳納米管的懸浮液中逐漸滴加Fe3+/Fe2+溶液和30 mL，0.5 mol/L的NaOH溶液，在滴加完NaOH溶液后，調整溶液pH為11.0左右，繼續攪拌1.0 h，然后在70℃下老化4.0 h之后過濾。用二次蒸餾水沖洗濾渣3次以上，最后置于烘箱直至烘干，研磨備用[4]。

1.3 實驗方法

采用靜態法進行吸附實驗，首先，在一系列的離心管中加入一定量的磁性碳納米管復合材料的懸浮液和Cr（VI）溶液，離子強度用NaNO3調節，介質pH用HNO3或NaOH調節。然后將混合均勻的懸浮液恒溫振蕩并且達到吸附平衡，再用磁分離技術進行固液分離，取適量上層清液，用分光光度法測定Cr（VI）濃度。最后，依據吸附的相關公式計算出 Cr（VI）的去除率[5]。

2 結果與討論

2.1 最佳吸附劑投加量的確定

相同5份100 mL原水，控制其濃度均為1 mg/L，pH均保持不變，分別在5份樣品中投加0.05 g、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g 吸附劑， 在室溫下經磁力攪拌器攪拌15 min后，靜置30 min，取上層清液測定其吸光度并算出去除率，結果見圖1。由圖1可以看出，在相同的實驗條件下，在加入吸附劑之后，Cr（VI）的去除率分別達到了29.86%、39.16%、72.65%、40.09%、44.74%。 其中當吸附劑投加量達到2.0 g/L時，吸附劑對Cr（VI）的去除率達到了72.65%。綜合考慮以上因素，本實驗的吸附劑最佳投加量確定為2.0 g/L。

圖1 不同吸附劑投加量對Cr（VI）的去除情況

2.2 最佳吸附時間

取100 mL原水，控制其濃度為1 mg/L，pH均保持不變，分別在5份樣品中投加0.2 g吸附劑，在室溫下經磁力攪拌器分別攪拌5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、40 min、50 min后，靜置30 min，取上層清液測定其吸光度并算出去除率，結果見圖2。由圖2可以看出，在相同的實驗條件下，在經磁力攪拌器攪拌5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、40 min、50 min后，吸附劑對 Cr（VI）的去除率達到了 11.26%、19.63%、31.72%、30.79%、28.93%、24.28%、21.49%。當吸附時間為15 min時，吸附劑對Cr（VI）的去除率達到最大的31.72%。綜合考慮以上因素，本實驗的最佳吸附時間確定為15 min。

圖2 不同吸附時間對Cr（VI）的去除情況

2.3 最佳吸附溫度

取3份100 mL原水，控制其濃度為1 mg/L，pH保持不變，分別在3份原水中投加吸附劑0.2 g，調節原水溫度為25℃、45℃、60℃，經磁力攪拌器攪拌15 min后靜置30 min，取上層清液測定其吸光度并算出去除率，結果見表1。由表1可以看出，在相同的條件下，在25℃、45℃、60℃不同的吸附溫度下，吸附劑對Cr（VI）的去除率達到了31.72%、39.17%、47.53%。當吸附溫度為60℃時，吸附劑對Cr（VI）的去除率達到了最大的47.53%。綜合考慮以上因素，本實驗的最佳吸附溫度為60℃。

表1 不同吸附溫度對Cr(VI)的去除情況

取 4份濃度分別為 0.5 mg/L、1 mg/L、1.5 mg/L、2.0 mg/L的原水100 mL，控制其pH不變，投加吸附劑0.2 g，在室溫下磁力攪拌器攪拌15 min后靜置30 min，取上層清液測定其吸光度并算出去除率，結果見表2。由表2可以看出，在相同條件下，在濃度為 0.5 mg/L、1 mg/L、1.5 mg/L、2.0 mg/L時，Cr（VI）的去除率達到了14.98%、15.53%、9.83%、10.98%。當濃度為1 mg/L時，吸附劑對Cr（VI）的去除率達到了最大的15.53%。綜合考慮以上因素，本實驗的最佳原水濃度為1 mg/L。

表2 不同原水濃度對Cr（VI）的去除情況

取5份濃度為1 mg/L的原水100 mL，投加吸附劑 0.2 g， 調節 pH 分別為 4、5、6、7、9，在60℃下磁力攪拌15 min后靜置30 min，取上層清液測定其吸光度并算出去除率，結果見圖3。由圖3可以看出，在相同的條件下，在原水pH為4、5、6、7、9 時，Cr （VI） 的去除率分別為 21.49%、20.56%、12、19%、10.33%、11.26%。當原水 pH 為 4時，對Cr（VI）的去除率達到最大21.49%。綜合考慮以上因素，本實驗的最佳原水pH為4。

圖3 不同原水pH對Cr（VI）的去除情況

3 結論

本研究提出了用碳納米管-鐵氧化物磁性復合材料吸附去除水中Cr（VI）污染物的工藝。采用了液相共沉淀法制備吸附劑碳納米管-鐵氧化物磁性復合材料。進一步研究了影響Cr（VI）吸附去除的主要因素，確定了吸附劑最佳用量為2 g/L，最佳吸附時間為15 min，溫度為60℃，原水濃度為1 mg/L，最佳pH為4.0。結果表明，在該情況下，磁性復合材料對Cr（VI）的吸附率達到72.65%。該磁性復合材料可以較好地處理水體Cr（VI）污染問題，其所具備的獨特磁性可以使其達到循環利用的目的。

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[5]Xu D，Zhou X，Wang X K.Adsorption and desorption of Ni2+on Na-montmorillonite： Effect of pH， ionic strength，fulvic acid，humic acid and addition sequences[J].Appllied Clay Science，2008，39：133-141.