廢棄生物質對模擬廢水中鋅的吸附研究

高琳 王靖君 黃潤峰 白膨豪 史磊

摘 要：本文研究初始金屬離子濃度、溶液pH值、吸附劑用量等因素對碧根果殼吸附Zn2+的影響。結果表明：Zn2+的吸附量受pH值影響，隨著pH值升高而增多，其中在pH=8時，吸附量最大。隨生物質吸附劑用量的增加，Zn2+的去除率逐漸升高。SEM和FTIR分析可知生物質表面含有羥基、羧基、Si—O等官能團為生物質吸附Zn2+提供便利。

關鍵詞：鋅;生物質;吸附;模型參數

中圖分類號：X756 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）30-0087-03

Abstract： In this study， the effects of initial metal ion concentration， pH value and adsorbent of pecan shell on the adsorption of Zn2+ were researched. The results show that the adsorption capacity of Zn2+ is affected by pH value and increased with the increase of pH value; when the pH value is equal to 8， the adsorption capacity reaches the maximum. With the increase of the amount of biomass adsorbent， the removal rate of Zn2+ is increased gradually. It can be seen that the surface of biomass contained hydroxyl， carboxyl， Si-O and other functional groups can facilitate the adsorption of Zn2+ according to SEM and FTIR analysis.

Keywords： Zinc; biomass; adsorption; model parameter

重金屬作為水體中的潛在危害污染物之一，由于其持久性和對環境及人體健康的影響較大而備受關注。鋅是營養必需的微量元素，但如果大量攝入，可能會產生毒性[1]。廢水中鋅的主要來自金屬、化工、造紙以及金屬加工等過程中的廢水排放[2-4]。據報道，過量攝入鋅可導致抑郁、嗜睡、癲癇等疾病[5-6]。傳統方法包括化學沉淀法、離子交換法、過濾法、溶劑萃取法、膜技術和活性炭吸附等，這些方法很難去除水中的重金屬離子[7-8]。因此，在重金屬廢水處理領域中開發廉價、高效的吸附劑已成為近年來研究的重點。

先前已經報道有多種吸附材料對重金屬吸附特性的研究成果。但有關堅果類碧根果殼作為吸附劑的研究還較少。本研究的目的是探究碧根果殼對鋅的吸附特性;探討初始溶液pH、初始金屬離子濃度和吸附劑用量對鋅吸附的影響;并結合SEM和FTIR等表征手段揭示碧根果殼對鋅的吸附機制。

1 材料與方法

本試驗利用碧根果殼作為原材料，用不銹鋼粉碎機將其打碎，然后在過60目尼龍篩，在60 ℃烘箱中烘干至恒重，裝入封口袋中備用。

在本試驗中所用Zn2+溶液用硝酸鋅配制。采用0.5 M HCl和0.5 M NaOH調節溶液pH。溶液pH使用雷磁PHS-3C pH計測定。Zn2+的濃度使用原子吸收分光光度計（島津6880）測量。碧根果殼采用掃描電子顯微鏡（SEM，Quanta 250）和傅立葉變換紅外光譜儀（Thermo Fisher Nicolet 6700）進行表征。

吸附實驗主要流程如下：在50 mL的玻璃三角瓶中加入40 mL Zn2+溶液。使用搖床在25 ℃下，以170 r/min震蕩。然后，以10 000 r離心后，用孔徑為0.45 μm過濾懸浮液，濾液用火焰原子吸收分光光度計分析。Zn2+的去除率可用公式：

式中，η為鋅離子去除率，%，Ci為初始金屬離子濃度，mg/L，Ce為溶液中金屬離子濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 初始濃度、生物質投加量和pH對Zn2+去除率的影響

圖1（a）中所示，隨著初始Zn2+濃度的增加，生物質的Zn2+含量隨之減少。當濃度為10 mg/L時，溶液中的Zn2+與吸附位點發生相互作用，吸附劑的吸附率達到89%。當Zn2+濃度達到50 mg/L和100mg/L時，吸附劑去除率分別下降到64%和36%。從圖1（b）可以看出，在100 mg/L的Zn2+溶液，生物質對Zn2+的吸附效果隨著生物質用量增多，Zn2+去除率從36%增加到88%。在堿性范圍內，重金屬易形成沉淀。因此，本實驗在最大pH為8.0的條件下進行。圖1（c）顯示當溶液初始pH從3增加到5時，溶液中Zn2+去除率從42%緩慢升高到49%。在pH值為5以上溶液中Zn2+去除率開始顯著升高趨勢，其中pH值為8時，溶液中Zn2+去除率最高達到89%。

2.2 生物質吸附劑的SEM和FTIR表征分析

SEM分析可知，生物質顆粒間疏松，呈層狀結構，存在較大的角狀顆粒物，其表面吸附較多的不規則顆粒。在3 422～3 448 cm-1 之間的吸收峰主要是羥基和不飽和基團。在1 618 cm-1附近，存在羧基和酮類的—CO—吸收峰。在1 035 cm-1 附近是 Si—O 特征峰。生物質表面存在的—OH、羧基、Si—O 等官能團能在一定程度上提升生物質的吸附性能。具體分析見圖2。

3 結論

本研究得出以下結論：①Zn2+初始濃度的增加在一定程度上降低了生物質吸附量，但是隨著pH升高和生物質投加量的增大，Zn2+去除率升高;②通過SEM和FTIR表征分析生物質顆粒間疏松且呈現層狀結構，其表面含有羥基、羧基、Si—O等官能團為生物質吸附Zn2+提供便利。

參考文獻：

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