一種吸附重金屬鉻的改性復合材料制備及性能研究

中圖分類號：TQ424 文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）07-0110-04

Abstract：Using sodium alginate as the basic material，sodium carboxymethyl celllose and polyethylenimine as modified materials，a composite adsorbent that can adsorb heavy metal chromium was prepared.Static adsorption test and dynamic adsorption test werecarried out to study the adsorption performance of this composite adsorbent and its application effect inthelandfilleachate environment.The results showed that inthe static adsorption test，when the pH value of the solution was3 and the addition of composite adsorbent was 0.3g ，theremovalrate ofheavymetal chromium was 99.3% ，and the adsorption effect was good. In the dynamic adsorption test，when the packing height was11 cm and the inlet flow rate was 1mL/min ，the penetration time of the composite adsorbent was 54O min and the depletion time was 1 580min ，indicating that the adsorption effect is good. This composite adsorbent has an improved removal rate of heavy metal chromium in landfill leachate and exhibits good adsorption performance.

Key words：sodium alginate;sodium carboxymethylcellulose;heavy metal;adsorption effect;penetration time

目前，常常使用填埋、焚燒等方式處理垃圾。但是，在垃圾處理過程中，常常會產生大量難降解滲濾液，其中含有較多重金屬離子和各種有機污染物等[13]。如果不對這些垃圾滲濾液進行處理，環境會受到較大污染，進而危害人類健康。因此減少垃圾滲濾液中的重金屬污染逐漸成為一個重要科研方向。對此，陳繼光等通過鋼渣等材料研制了一種高效軟土固化劑，可以實現對垃圾滲濾液中的重金屬、氨氮、總磷物質進行協同固化，使毒重金屬離子的質量濃度不超過 0.3mg/L^[4] ；劉嘉豪等使用酸洗－電沉積聯用技術，脫除和回收利用垃圾焚燒飛灰中的重金屬，結果表明，當硝酸液固比為25、濃度為

2mol/L時，酸洗 60min 可以減少飛灰中的大量重金屬，同時在電壓14V、電沉積4h條件下可以進一步降低飛灰中的重金屬含量[5]；劉繼狀等研究了沸石摻量對垃圾填埋場防滲系統中膨潤土襯墊的影響，結果表明，當沸石摻量為12.5%時，膨潤土襯墊對重金屬的吸附能力較佳。除此之外，海藻酸鈉、果膠等天然高分子材料有良好的吸附能力，材料分子上官能團眾多，也可起到吸附重金屬離子的效果[7-8]。因此，本試驗在海藻酸鈉的基礎上，以羧甲基纖維素鈉和聚乙烯亞胺為改性材料，制備一種復合吸附劑，并研究其吸附性能。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：羧甲基纖維素鈉（AR，合肥諾爾達生物）；海藻酸鈉（AR，河北九星化工）；聚乙烯亞胺（AR，山東富禾生物）;重鉻酸鉀（AR，濟南嘉陽化工）。

主要設備：XY600-1B型電子分析天平（深圳市森宇儀器設備）;RM-3200S型紫外分光光度計（青島瑞明儀器設備）;HL-HX型恒溫干燥箱（湖南航俊機械設備）;YQ-Q型恒溫水浴振蕩器（常州市萬豐儀器）；85-2型磁力攪拌器（常州市億能實驗儀器）。

1.2 試驗方法

1.2.1復合吸附劑的制備

為吸附垃圾滲濾液體中的重金屬離子鉻，本試驗以海藻酸鈉為基本材料，使用羧甲基纖維素鈉和聚乙烯亞胺作為改性材料，在氯化鈣交聯劑的幫助下，制備復合吸附劑。該材料制備步驟為[9-]：

（1）使用電子分析天平分別稱量海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉和聚乙烯亞胺，將這兩種原料分別與適量蒸餾水混勻，配制等質量濃度與的海藻酸鈉溶液、羧甲基纖維素鈉溶液和聚乙烯亞胺溶液；

（2）在同一容器中添加海藻酸鈉溶液3份、羧甲基纖維素鈉溶液7份、聚乙烯亞胺溶液2份，利用攪拌器將以上材料充分攪拌5h，得到混合溶膠；

（3）配制質量分數為 2% 的氯化鈣溶液，將混合溶膠緩慢滴加到氯化鈣溶液中，然后充分攪拌 ^5h 再用蒸餾水清洗，得到復合吸附劑。

1.2.2重金屬鉻標準儲備液的配制

（1）在一個陶瓷容器中放入足量重鉻酸鉀，使用恒溫干燥箱以 110°C 干燥 ^2h

（2）使用電子分析天平準確稱量干燥后的重鉻酸鉀 2.8290g ，倒入燒杯中并加入適量蒸餾水充分攪拌；

（3）將溶液倒入大容量瓶中，繼續添加蒸餾水定容到 1000mL ，充分混勻后獲得質量濃度為1 000mg/L 的重金屬鉻標準儲備液。

1.2.3 標準曲線繪制

將重金屬鉻標準儲備液稀釋至不同質量濃度，并采用二苯基碳酰二肼分光光度法，測試 540nm 可見光波長處的最大吸光度。在扣除空白吸光度后，將重金屬鉻濃度作為橫坐標，吸光度作為縱坐標，繪

制重金屬鉻標準曲線。

1.3 測試方法

為探究復合吸附劑對垃圾滲濾液體中重金屬鉻的吸附性能，使用復合吸附劑分別進行靜態吸附性能試驗和動態吸附性能試驗。

1.3.1 靜態吸附試驗

（1）先將質量濃度為 1000mg/L 的重金屬鉻標準儲備液用蒸餾水稀釋10倍，調節溶液pH值為2＼～12；

（2）將一定質量濃度的重金屬鉻溶液裝入錐形瓶中，再添加一定量復合吸附劑，在一定溫度下振蕩吸附一定時間；

（3）吸附完成后，用 0.45mm 的聚醚礬膜過濾并手機上清液，并采用二苯基碳酰二肼分光光度法，結合重金屬鉻標準曲線，分析其中的鉻質量濃度情況[12-13] 。

1.3.2 動態吸附試驗

（1）在一段長 30cm 內徑 2cm 的玻璃管中放入適量復合吸附劑，并將玻璃管內部兩端放置適量玻璃珠，以此玻璃管作為吸附柱；

（2）利用蠕動泵，將一定濃度鉻溶液按照一定流速從吸附柱下端注入，并從上層流出。測定不同時間出水口的鉻質量濃度；

（3）將時間作為橫坐標，將出水口的鉻質量濃度與初始鉻質量濃度之比作為縱坐標，繪制出動態吸附穿透曲線。其中，以出水口的鉻質量濃度與初始鉻質量濃度之比 10% 作為穿透點，以出水口的鉻質量濃度與初始鉻質量濃度之比 90% 作為耗竭點。

2 結果與分析

2.1 靜態吸附性能分析

2.1.1 溶液 pH 值

將 1 000mg/L 的重金屬鉻標準儲備液稀釋到50mg/L ，將溶液pH值調節到 2～11 。然后取200mL 鉻溶液并向其中加入 0.15g 復合吸附劑。再以恒溫 25°C 振蕩 24h 。最后靜置取上清液測定540nm 處吸光度，分析復合吸附劑對重金屬鉻的吸附量，具體如圖1所示。

由圖1可知，隨著溶液pH值從2增加到11，復合吸附劑對重金屬鉻的吸附量先升后降。當溶液pH值從2增加到3時，吸附量升高。其中溶液pH值為3時吸附量最大，達到57.8mg/g。當當溶液pH 值從3增加到11時，吸附量快速降低。其中溶液 pH 值為11時吸附量最小，為16.2mg/g。這可能是因為，在 pH 值為2的酸性環境下，復合吸附劑會出現溶解現象，所以吸附量較低。同時在堿性環境下，由于靜電斥力的影響，吸附量也較低[14-15]整體分析可知，當溶液 pH 值為3時，這種復合吸附劑對重金屬鉻的吸附量最大，吸附效果最佳，因此最佳溶液 pH 值為3。

2.1.2 復合吸附劑添加量

將 1 000mg/L 的重金屬鉻標準儲備液稀釋到50mg/L ，將溶液 pH 值調節到3。然后取 200mL 鉻溶液，向其中分別加入復合吸附劑0.05～0.40 g。再以恒溫25 C 振蕩 24h 。最后靜置取上清液測定540nm 處吸光度，分析復合吸附劑對重金屬鉻的去除率，具體如圖2所示。

由圖2可知，隨著復合吸附劑添加量從 0.05g 增加到0.4g，復合吸附劑對重金屬鉻的去除率先快速提高然后逐漸平穩。當復合吸附劑添加量為0.05g時，重金屬鉻去除率僅為 35.6% 。當復合吸附劑添加量在 0.2g 及以上時，重金屬鉻去除率基本超過 95% 。其中，當復合吸附劑添加量為 0.3g 時，重金屬鉻去除率達到 99.3% 。當復合吸附劑添加量在0.35g 及以上時，重金屬鉻去除率達到 99% 以上。這些變化是因為，當復合吸附劑添加量較少時，材料表面吸附位點較多，可以快速吸附重金屬鉻。而隨著復合吸附劑添加量增多，材料表面吸附位點相對減少，所以對重金屬鉻的吸附量逐漸達到平衡[16-17]。整體分析可知，為保證復合吸附劑對重金屬鉻有良好吸附效果，復合吸附劑添加量為 0.3g 較為適宜。

2.2 動態吸附性能分析

2.2.1 填料高度

在動態吸附試驗中，利用蠕動泵將復合吸附劑的填料高度分別設定為 ⁷，8，9，10，11cm ，將通入的鉻溶液pH值調為3。測定在一定時間內流出的鉻質量濃度情況，繪制穿透曲線，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著動態吸附試驗時填料高度增加，穿透曲線出現右移現象，具體表現為復合吸附劑的穿透時間和耗竭時間明顯增加。可以看到，當填料高度為7cm時，復合吸附劑的穿透時間為240min ，耗竭時間為 620min 。當填料高度分別為8，9，10cm 時，復合吸附劑的穿透時間分別是310、490、620min，耗竭時間分別是810、1450、1770min 。當填料高度增加到 11cm 時，復合吸附劑的穿透時間是 770min ，耗竭時間為 2 400min 。這些變化是因為，隨著填料高度增加，復合吸附劑表面的活性位點增多，可以更多吸附重金屬鉻。同時填料高度增加也相當于傳質區長度增加，因此復合吸附劑對重金屬鉻的吸附時間增加，所以穿透時間和耗竭時間延長，吸附效果更好。這表明，在動態吸附試驗中，復合吸附劑對重金屬鉻的吸附效果與填料高度呈正相關。因此，可以通過提高復合吸附劑填料高度來提高吸附效果。綜上，較大的填料高度對增強重金屬鉻吸附效果有利。

2.2.2 進水流速

在動態吸附試驗中，利用蠕動泵將復合吸附劑的填料高度設定為 11cm ，將通入的鉻溶液 pH 值調為3，進水流速分別調為 1.3mL/min 。測定在一定時間內流出的鉻質量濃度情況，繪制不同進水流速時的穿透曲線，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著進水流速從 1mL/min 增大到3mL/min ，穿透曲線左移，復合吸附劑的穿透時間和耗竭時間縮短。當進水流速為 1mL/min 時，復合吸附劑的穿透時間為 540min ，耗竭時間為 180min 。當進水流速為 3mL/min 時，復合吸附劑的穿透時間為 260min ，耗竭時間為 730min 。究其原因，當進水流速較高時，復合吸附劑的傳質系數增大，對重金屬鉻的吸附時間縮短，重金屬鉻與復合吸附劑表面吸附位點接觸不夠完全，所以穿透時間和耗竭時間縮短。綜上，為保證復合吸附劑對重金屬鉻的良好吸附效果，進水流速不宜過高， 1mL/min 較為適宜。

2.3垃圾滲濾液體吸附效果

2.3.1 靜態吸附研究

為探究復合吸附劑在某垃圾填埋場垃圾滲濾液體環境下對重金屬鉻的吸附效果，在不同溶液環境下進行靜態吸附試驗，結果如圖5所示。溶液環境分別是 50mg/L 鉻溶液、滲濾液稀釋10倍的鉻溶液、滲濾液稀釋30倍的鉻溶液。

由圖5可知，在 50mg/L 鉻溶液環境中，重金屬鉻去除率為 66.72% 。當用垃圾滲濾液稀釋鉻溶液時，重金屬鉻去除率增加。在滲濾液稀釋30倍的鉻溶液環境中，去除率達到 74.38% 。這說明，在垃圾滲濾液體環境中，復合吸附劑對重金屬鉻的吸附效果增強。這也就表明本試驗制備的復合吸附劑不僅可以吸附重金屬鉻，還能在垃圾滲濾液體中有良好吸附效果。因此，這種復合吸附劑可以用于垃圾滲濾液體中，吸附重金屬鉻，減少環境污染

2.3.2 動態吸附研究

由圖6可知，在 50mg/L 鉻溶液環境中，復合吸附劑的穿透時間為 29min ，耗竭時間為 235min 。在垃圾滲濾液體稀釋30倍的鉻溶液環境中，穿透曲線明顯右移，復合吸附劑的穿透時間為 50min ，耗竭時間為243min 。這是因為，在垃圾滲濾液體環境中，存在較多的重金屬離子，所以復合吸附劑對重金屬鉻的吸附效果提高[18-20]。因此這種復合吸附劑可以對垃圾滲濾液體中的重金屬鉻進行吸附，且吸附效果良好。

3結語

以海藻素鈉、羧甲基纖維素鈉、聚乙烯亞胺為主要材料，制備一種復合吸附劑，并研究這種復合吸附劑對垃圾滲濾液體中重金屬鉻的吸附效果。

（1）在靜態吸附試驗中，隨著溶液 pH 值增加，復合吸附劑對重金屬鉻的吸附量先升后降；隨著復合吸附劑添加量增多，重金屬鉻去除率先升后趨于平穩。最佳溶液 pH 值為3，最佳復合吸附劑添加量為0.3g；

（2）在動態吸附試驗中，隨著復合吸附劑填料高度增加，穿透曲線右移，吸附效果提高；隨著進水流速增加，穿透曲線左移，吸附效果降低。優選復合吸附劑填料高度為 11cm ，進水流速為1mL/min;

（3）在垃圾滲濾液體環境中，復合吸附劑對重金屬鉻的吸附效果提高。這種復合吸附劑可以吸附垃圾滲濾液體中的重金屬鉻，吸附效果良好。

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