椰殼活性炭對水中重金屬離子的吸附

摘要：研究活性炭對廢水中重金屬離子的吸附性，以椰殼活性炭與Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺重金屬離子為研究對象，分析在不同pH、活性炭用量、振蕩時間以及溫度條件下，椰殼活性炭對重金屬離子吸附能力的差異。模擬廢水實驗結果表明：

（1）隨著pH的加大，活性炭的吸附量也在增加，當pH>7時，隨著pH的加大，活性炭的吸附作用有所減弱，pH=7時，活性炭對溶液中重金屬離子的吸附能力強；

（2）活性炭投加量為6g時，其對這4種重金屬離子的吸附能力均已達到飽和，并且對Zn²⁺的吸附變化顯著；

（3）振蕩時間達到200min時，活性炭的吸附效果就達到飽和，其中，活性炭對4種重金屬離子吸附能力由強到弱依次為：Zn²⁺>Cd²⁺>Pb²⁺>Cu²⁺；

（4）溫度達到30℃時，活性炭對4種金屬離子的吸附能力較佳。

未經過處理的生活廢水和工業污水的排放，對水資源造成了很大的破壞。重金屬污染是常見的一種水污染方式，機械加工、礦山開采、鋼鐵金屬冶煉以及化工企業的生產都會產生大量含有重金屬離子的廢水。重金屬是不可降解的有毒物質，人攝取微量或者低濃度的重金屬離子都會對健康產生危害�；钚蕴渴且环N比表面積高、孔容大、孔徑分布可控、表面化學性質可調，具有高吸附容量、穩定的物理化學性質和高機械強度的吸附劑，可針對重金屬離子物理化學性質以及所處化學環境的不同，對廢水中的重金屬進行快速吸附。

目前，國內外的專家學者通過研究不同類型的活性炭，得出普通的粉煤活性炭吸附性遠不如改性后的粉煤活性炭；花生殼粉、漢麻粉體和蝦殼等均能制成活性炭，對各種重金屬離子均具有一定的吸附作用。

波濤活性炭廠家研究通過，考察椰殼活性炭在不同條件下對Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺重金屬離子的吸附性，探討椰殼活性炭的吸附條件，現將實驗結果分析如下：

一、pH對椰殼活性炭重金屬離子吸附性能的影響

在不同pH下，大多數重金屬離子容易與水中陰離子以及水分子形成配位數不同的配合物，導致重金屬離子的水化半徑發生變化，當離子的水化半徑較大時，重金屬配合物難以進入活性炭內的微孔，從而直接影響活性炭對重金屬離子的吸附效果。

在椰殼活性炭用量、溫度、振蕩時間和恒溫振蕩器轉速相同條件下，對比在不同pH環境下，椰殼活性炭對4種重金屬離子吸附效果的差異，結果如圖2所示。

由圖可知，在不同pH條件下，隨著pH的加大，活性炭對4種重金屬離子的吸附量也在增加，當到達高吸附量時，活性炭的吸附效果就會慢慢降低。這是因為隨著溶液pH的升高，活性炭表面官能團被質子化，從而使表面電勢降低，金屬離子與活性炭表面的靜電斥力減少，因此吸附量就會增加。由于活性炭表面的官能團為弱酸性，隨著溶液pH的升高，活性炭上負電勢點增多，當pH>7時，溶液中重金屬離子含量減少緩慢，即活性炭吸附作用有所減弱，吸附量有所下降。隨著pH繼續加大，溶液中的OH^-與金屬離子的化學作用力加大，導致氫氧化物沉淀的生成，使得吸附量相對降低。所以當pH=7時，活性炭對溶液中重金屬離子的吸附能力強。對比椰殼活性炭對這4種離子的吸附量，可以看出Pb²⁺和Cu²⁺更容易被椰殼活性炭吸附。

二、椰殼活性炭用量對其重金屬離子吸附性能的影響

在常溫常壓下，分別取不同投加量的椰殼活性炭，放人50mL初始濃度為1000mg/L的溶液中，調節溶液pH=7，溫度均為25℃，振蕩時間為60min，恒溫振蕩器轉速為200r/min，結果如圖3所示。

由圖可知，隨著活性炭用量的逐漸加大，吸附效果也越好，直到趨于平衡。從宏觀趨勢判斷，當活性炭用量加到5g之后，它的吸附效果就逐漸平緩，當加到6g之后，它的吸附量不再變化，已經處于飽和狀態。從微觀分析，當活性炭從0.2g增加到0.5g時，Zn²⁺被吸附的效果較佳，其余3種離子的被吸附量相差較小，從0.5g增加到4g的過程中，Zn²⁺和Cd²⁺被吸附量變化一致，活性炭對Pb²⁺和Cu²⁺的吸附效果相同，當增加到6g時，活性炭對這4種重金屬離子的吸附量均已達到飽和，但這4種離子中Zn²⁺被吸附量的變化顯著，所以活性炭對Zn²⁺的吸附性較佳。

三、振蕩時間對椰殼活性炭重金屬離子吸附性能的影響

活性炭在反應體系中的停留時間對重金屬的凈化效率有影響，在反應過程中不但要保證活性炭在重金屬廢水中有足夠長的停留時間以確保較高的去除效率，但停留時間不宜過長。吸附時間過短，會使吸附進行的不完全，吸附時間過長，在實際應用中會浪費掉更多的能耗，增加吸附成本。在常溫常壓條件下，控制模擬廢水溶液初始濃度為1000mg/L，調節溶液pH=7，溫度均為25℃，活性炭投加量為7g，恒溫振蕩器轉速為200r/min，控制不同梯度的反應時間，結果如圖4所示。

由圖可知，振蕩時間越長，椰殼活性炭的吸附量就越大，可以保證活性炭的吸附性得到很大程度的發揮。當振蕩時間為200min時，活性炭的吸附效果達到飽和了，隨著時間的增加，Zn²⁺和Cd²⁺去除量增長較快，而Pb²⁺和Cu²⁺去除量的增長較為緩慢，因此振蕩時間對活性炭吸附Zn²⁺和Cd²⁺的影響較大。隨著時間的增長，椰殼活性炭對4種重金屬離子吸附能力由強到弱依次為：Zn²⁺>Cd²⁺>Pb²⁺>Cu²⁺。

四、溫度對椰殼活性炭重金屬離子吸附性能的影響

對比在不同溫度條件下，椰殼活性炭對重金屬離子的吸附量，結果如圖5所示。

由圖可知，當初始溫度設置在20℃時，隨著溫度的升高，活性炭的吸附能力也在增強，當溫度達到30℃時，活性炭對4種金屬離子的吸附能力到達上限，之后，隨著溫度的升高，活性炭的吸附能力反倒開始逐漸降低，其中對Pb²⁺的吸附能力下降的很快。這是因為吸附反應是放熱的，溫度越低，越有利于吸附的放熱反應，吸附效果越好。

五、結語

本實驗后期可以對不同離子濃度的去除率進行研究，探索改性后椰殼活性炭的吸附能力，添加pH空白實驗以及活性炭性質表征等。