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《河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第一期

摘要:

以玉米芯粉體作為吸附劑，吸附處理含Cr(VI)模擬廢水，研究了溫度、接觸時(shí)間、吸附劑用量、吸附劑粒徑和廢水初始pH值對(duì)玉米芯粉體吸附處理含Cr(VI)模擬廢水的影響。結(jié)果表明:玉米芯粉體的吸附能力隨著溫度的增大而增大。吸附反應(yīng)的前80min反應(yīng)較為迅速。玉米芯用量為0．5g時(shí)去除率最大。隨著玉米芯粉體粒徑的減小，Cr(VI)離子去除率先增大后減小，粒徑為0．097～0．105mm時(shí)單位吸附量達(dá)到最大。低的初始pH值有利于提高玉米芯吸附去除率，pH值為0．5時(shí)玉米芯粉體對(duì)Cr(VI)離子的去除率達(dá)到了99．725%。

關(guān)鍵詞:

玉米芯;粉體;六價(jià)鉻離子;吸附

隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，重金屬污染對(duì)人類(lèi)健康和生態(tài)環(huán)境的影響日趨嚴(yán)重，對(duì)重金屬?gòu)U水的治理成為環(huán)境治理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。六價(jià)鉻是來(lái)源于電鍍廠、制革廠和某些化工廠的工業(yè)廢水中廣泛存在的重金屬離子，有很強(qiáng)的毒性和致癌性［1－2］。去除Cr(VI)的主要方法有化學(xué)沉淀法、電化學(xué)沉淀法、吸附法、電滲析法、膜過(guò)濾法、反滲透法和離子交換法等。但這些方法在處理低濃度含Cr(VI)離子廢水時(shí)，操作費(fèi)用和原材料成本較高受到了限制［3－6］。吸附法是常用的一種去除低濃度重金屬離子的方法，目前常用的吸附劑主要是活性炭，但其成本較高［7－9］。中國(guó)年產(chǎn)玉米量約為1．3億t，副產(chǎn)物玉米芯約2000萬(wàn)t［10］。玉米芯表面有很多可以和重金屬離子發(fā)生交換或化學(xué)吸附的官能團(tuán)，如羥基、羧基和氨基等［11－13］。因此，本研究利用玉米芯吸附去除Cr(VI)離子，分析影響其吸附能力的主要影響因素和影響規(guī)律，為將玉米芯應(yīng)用于實(shí)際的高效廉價(jià)的吸附劑提供依據(jù)。

1材料與方法

1．1試驗(yàn)材料玉米芯取自河南周口，用去離子水清洗后置于鼓風(fēng)干燥箱中于80℃下干燥6h，將烘干后的玉米芯去除頭部和尾部，取中間部分粉碎過(guò)篩后分成不同等級(jí)，再次放入鼓風(fēng)干燥箱中于80℃下干燥12h，取出置于干燥皿冷卻備用。

1．2試驗(yàn)儀器與試劑

1．2．1儀器FZ102型微型植物粉碎機(jī)(天津市泰斯特儀器有限公司)，高通萬(wàn)能粉碎機(jī)(北京科偉永興儀器有限公司)，分樣篩(浙江上虞市五四儀器篩具廠)，JJZZ4BC型電子天平(江蘇省常熟市雙杰測(cè)試儀器廠)，721型分光光度計(jì)(上海菁華科技儀器有限公司)，pH計(jì)(上海佑科儀器儀表有限公司)，HZQ－Q振蕩器(哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司)，TGL－16C離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)

1．2．2試劑重鉻酸鉀(K2Cr2O7，分析純)，氫氧化鈉(NaOH，分析純)，硫酸(H2SO4，分析純)，鹽酸(HCl，分析純)，磷酸(H3PO4，優(yōu)級(jí)純)二苯碳酰二肼(C6H5NHNHCONHNHC6H5，分析純)，丙酮(CH3COCH3，分析純)

1．3試驗(yàn)方法

1．3．1模擬廢水制備準(zhǔn)確稱(chēng)量120℃烘干2h重鉻酸鉀0．2829g，用去離子水溶解后移入1L的棕色容量瓶中，配制成1g•L－1的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，遮光保存?zhèn)溆茫褂脮r(shí)稀釋至所需要的質(zhì)量濃度。

1．3．2吸附試驗(yàn)根據(jù)各單因素試驗(yàn)條件，稱(chēng)取一定質(zhì)量一定粉碎度的玉米芯粉體加入一定質(zhì)量濃度(以Cr(VI)計(jì))的100mLK2Cr2O7溶液于250mL錐形瓶中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整pH值，加封口膜封口，置于一定溫度一定轉(zhuǎn)速下的搖床內(nèi)進(jìn)行吸附反應(yīng)，分別反應(yīng)不同的時(shí)間，用移液管吸取上清液后離心，在轉(zhuǎn)速為5000r•min－1條件下離心10min過(guò)濾，取上清液。按照二苯碳酰二肼分光光度法(GB7467—1987)測(cè)定Cr(VI)的質(zhì)量濃度，試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取3次試驗(yàn)的平均值。

2結(jié)果與分析

2．1溫度對(duì)玉米芯吸附Cr(VI)的影響將0．5g粒度為0．15～0．2mm的玉米芯粉體加入到100mL質(zhì)量濃度為20mg•L－1，pH=7的Cr(VI)溶液中，置于轉(zhuǎn)速為130r•min－1的搖床中，分別在10、20、30、40、50℃不同的溫度下進(jìn)行吸附反應(yīng)60min，測(cè)定吸附反應(yīng)后的Cr(VI)含量，計(jì)算出單位吸附量和去除率如圖1所示。由圖1可知，在本試驗(yàn)條件和設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，玉米芯對(duì)Cr(VI)的吸附去除率和單位吸附量隨著溫度的增大而增加。當(dāng)溫度從溫度為10℃上升到50℃時(shí)，玉米芯的單位吸附量從0．211mg•g－1增大到溫度為的0．546mg•g－1，Cr(VI)去除率從5．274%增大到13．644%。分析認(rèn)為溫度較低時(shí)，玉米芯發(fā)生的主要是物理吸附，依靠的是分子間作用力，吸附熱較小，而當(dāng)溫度升高時(shí)發(fā)生了由化學(xué)鍵引起的化學(xué)吸附，由于此化學(xué)吸附是吸熱過(guò)程，因此溫度升高有助于提高吸附效果。

2．2吸附時(shí)間對(duì)玉米芯吸附Cr(VI)的影響將0．5g粒度為0．15～0．2mm的玉米芯粉體加入到100mL質(zhì)量濃度為20mg•L－1，pH=7的Cr(VI)溶液中，置于轉(zhuǎn)速為130r•min－1，溫度為25℃的搖床中進(jìn)行吸附反應(yīng)，在反應(yīng)進(jìn)行至20、40、60、80、100、120min時(shí)取上清液。測(cè)定Cr(VI)含量，計(jì)算出單位吸附量和去除率如圖2所示。由圖2可以看出，在吸附時(shí)間為20～40min內(nèi)，單位吸附量和去除率分別從0．323mg•g－1和8．064%增大到0．418mg•g－1和10．455%，兩者都增大較快，說(shuō)明吸附速度較快。但是反應(yīng)進(jìn)行至40min和60min之間的時(shí)候，吸附速度放緩。反應(yīng)進(jìn)行至60～80min之間的時(shí)候吸附速度重新增大，之后不再變化。分析認(rèn)為玉米芯吸附Cr(VI)的吸附過(guò)程前40min可能主要是物理吸附，形成單分子吸附層和多分子吸附層，隨著反應(yīng)的進(jìn)行在40min后開(kāi)始進(jìn)行解吸，從而表現(xiàn)出在40～60min時(shí)單位吸附量和去除率增大放緩，反應(yīng)進(jìn)行到60min后化學(xué)吸附占據(jù)主要作用，單位吸附量和去除率又有了較大提高，80min后吸附達(dá)到平衡狀態(tài)。

2．3玉米芯用量對(duì)吸附去除Cr(VI)的影響將0．1、0．3、0．5、0．7、0．9、1．1g粒度范圍為0．15～0．2mm的玉米芯粉體加入到100mL質(zhì)量濃度為20mg•L－1，pH=7的含Cr(VI)模擬溶液中，置于轉(zhuǎn)速為130r•min－1，溫度為25℃的搖床中進(jìn)行吸附反應(yīng)，反應(yīng)60min后取上清液測(cè)定Cr(VI)含量，計(jì)算出單位吸附量和去除率如圖3所示。由圖3可知，玉米芯的用量從0．1g增加到0．5g時(shí)，Cr(VI)去除率從13．245%增大到22．810%，繼續(xù)增大玉米芯用量去除率反而減小，吸附劑的單位吸附率隨著吸附劑用量增大而減小。原因可能是當(dāng)玉米芯從0．1g增加到0．5g時(shí)，隨著吸附劑量的增加，玉米芯提供了較多的吸附活性位點(diǎn)，到達(dá)0．5g達(dá)到吸附飽和。繼續(xù)增加吸附劑量，吸附劑顆粒之間增大了碰撞和摩擦的幾率，顆粒之間碰撞摩擦產(chǎn)生了剪切力大于物理吸附之間的分子引力，Cr(VI)從吸附位點(diǎn)脫落重新回到溶液中，從而導(dǎo)致去除率減小。可見(jiàn)吸附劑并不是越多去除效果越好，而是存在一個(gè)極值。

2．4粒徑對(duì)玉米芯吸附Cr(VI)的影響將0．5g粒徑為0．088～0．097，0．097～0．105，0．105～0．125，0．125～0．150，0．150～0．200，0．200～0．450mm的玉米芯粉體分別加入到100mL質(zhì)量濃度為20mg•L－1，pH=7的Cr(VI)溶液中，置于轉(zhuǎn)速為130r•min－1，溫度為25℃的搖床中進(jìn)行吸附反應(yīng)，反應(yīng)60min后取上清液。測(cè)定Cr(VI)含量，計(jì)算出單位吸附量和去除率如圖4所示。由圖4可以看出，隨著玉米芯粒徑的減小，單位吸附量和去除率都出現(xiàn)了先增大后減小的變化趨勢(shì)。粒徑范圍為0．097～0．105mm的玉米芯達(dá)到最好吸附效果，其單位吸附量為0．578mg•g－1，去除率為14．441%。粒徑繼續(xù)減小至0．088～0．097mm時(shí)，單位吸附量和去除率反而降低至0．514mg•g－1和12．847%。分析認(rèn)為當(dāng)玉米芯粒徑減小時(shí)，擁有了更大的比表面積，更多的吸附活性位點(diǎn)裸露出來(lái)，因此單位吸附率和去除率都增大，繼續(xù)減小其粒徑，小粒徑的玉米芯表現(xiàn)出微尺度效應(yīng)，發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚后活性位點(diǎn)減少，吸附效果變差。

2．5模擬廢水初始pH值對(duì)玉米芯吸附Cr(VI)的影響將0．5g粒度0．15～0．2mm玉米芯粉體加入到裝有用HCL和NaOH調(diào)整pH值為0．5、1．0、1．5、2．0、2．5、3．0的100mL質(zhì)量濃度為20mg•L－1的Cr(VI)模擬廢水溶液的錐形瓶中，置于轉(zhuǎn)速為130r•min－1，溫度為25℃的搖床中進(jìn)行吸附反應(yīng)，反應(yīng)60min后取上清液。測(cè)定Cr(VI)含量，計(jì)算出單位吸附量和去除率如圖5所示。由圖5可以看出，隨著模擬的含Cr(VI)廢水的初始pH值升高，Cr(VI)的去除率和玉米芯的單位吸附量呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，玉米芯的單位吸附量從pH值為0．5時(shí)的3．989mg•g－1下降至pH值為3時(shí)的1．853mg•g－1;去除率從pH值為0．5時(shí)的99．725%下降至pH值為3時(shí)的46．323%。這個(gè)結(jié)果與一些研究者利用其他的生物質(zhì)材料進(jìn)行吸附去除重金屬離子的試驗(yàn)研究結(jié)果相同［14－15］。對(duì)于玉米芯粉體吸附去除Cr(VI)來(lái)說(shuō)，含Cr(VI)離子廢水在較低的pH值時(shí)有利于吸附反應(yīng)發(fā)生。

3結(jié)論

本研究利用玉米芯對(duì)模擬廢水中的Cr(VI)離子進(jìn)行吸附處理，對(duì)有可能影響其吸附能力的因素(溫度、接觸時(shí)間、吸附劑用量、吸附劑粒徑和模擬廢水的pH值)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析影響其吸附能力的主要影響因素以及吸附能力隨這些因素的變化規(guī)律。結(jié)果表明:(1)玉米芯對(duì)Cr(VI)離子的吸附能力隨著溫度的增大而增大，其中吸附反應(yīng)的前80min反應(yīng)較為迅速，之后達(dá)到平衡狀態(tài);玉米芯添加量并非越多去除率越大，而是存在一個(gè)極值，在添加量為0．5g時(shí)，去除率最大;玉米芯的吸附能力隨著粒徑的減小先增大后減小，存在一個(gè)最好的吸附粒徑范圍即0．097～0．105mm;玉米芯的吸附能力隨著pH值的增大而減小，說(shuō)明低pH值有利于吸附反應(yīng)進(jìn)行。(2)在試驗(yàn)考察的5個(gè)因素中影響玉米芯粉吸附效果的最主要因素是溶液的初始pH值，當(dāng)pH值為0．5時(shí)，玉米芯對(duì)Cr(VI)離子的吸附去除率達(dá)到99．725%。因此，在利用玉米芯吸附去除廢水中的Cr(VI)離子時(shí)，控制好合適的pH值就可以達(dá)到較高的去除效果，而其他能耗高的條件如提高溫度、減小粒徑等可以適當(dāng)降低要求。

作者：岳建芝 杜金宇 李剛 李潤(rùn)娟 張志萍 寇秋娟 單位：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心 河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 鄭州信息科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系