110＊树脂吸附铜的行为研究

王惠君,高伟彪

(浙江海洋学院 海洋科学学院,浙江 舟山 316004)

110＊树脂吸附铜的行为研究

王惠君,高伟彪

(浙江海洋学院 海洋科学学院,浙江 舟山 316004)

研究了Cu2+在110＊树脂上的吸附行为。结果表明:在p H=4.19的 HAc-NaAc缓冲溶液中,110＊树脂吸附Cu2+效果最佳,静态饱和吸附容量为240 mg/g;用1.0～2.0 mol/L HCl溶液洗脱,洗脱率达100%;表观速率常数 k298=1.55×10-4s-1,表观活化能 Ea=37.2 kJ/mol;等温吸附服从 Freundlich经验式;吸附热力学参数ΔH=14.8 kJ/mol,ΔS=52.0 J/(mol·K),ΔG=-0.7 kJ/mol。用化学和红外光谱法确定了吸附机制为化学吸附。

110＊树脂;铜(Ⅱ);吸附行为

目前,含铜废水的处理方法有化学沉淀法、电解法、离子交换法等,其中,离子交换法具有稳定性好、分离方便、树脂可重复使用等特点,在催化、吸附、金属回收等方面都得到了广泛应用[1-6]。试验采用用功能基为—COOH的阳离子交换树脂110＊树脂研究了从废水中吸附金属铜离子,探讨了铜(Ⅱ)在110＊树脂上的吸附行为。

1 试验部分

1.1 主要试剂和仪器

110＊树脂(南开大学化工厂产品,粒度 354 μm;p H为3.58～6.23的NaAc-HAc缓冲溶液;铜离子标准液,由分析纯CuSO4·5H2O配制;其他试剂均为分析纯。

UV-1610PC紫外分光计;ZHWY-100C型恒温培养振荡器;p HS-3C型p H计;Burker-TENSOR27型红外光谱仪。

1.2 吸附和分析方法

1.2.1 吸附平衡试验

称取一定量110＊树脂,加入一定体积的缓冲溶液,浸泡24 h后,加入一定量Cu2+标准溶液,在恒温培养振荡器中振荡至平衡,分析水相中Cu2+平衡质量浓度,计算分配比(D):

式中:Q——树脂对 Cu2+的吸附量,mg/g;ρ0和ρe——分别为水相中 Cu2+的起始质量浓度和平衡质量浓度,mg/mL;m——树脂质量,g;V——液相体积,mL。

1.2.2 分析方法

取待测溶液0.25 mL置于25 mL容量瓶中,加入1 mL二甲酚橙(0.5%)和10 mL HAc-NaAc缓冲溶液(pH=5.73),用二次蒸馏水稀释至刻度。在波长576.3 nm处,用1 cm比色皿,以试剂空白为参比测定吸光度[7],计算吸附率和分配比。

1.2.3 解吸试验

取一定量负载树脂,用缓冲溶液洗涤3次,加入解吸剂,振荡平衡后测定水相中Cu2+质量浓度,计算解吸率。

2 结果与讨论

2.1 介质pH对分配比的影响

准确称取15.0 mg树脂8份,分别在 T=298 K、ρ0=167μg/mL 条件下 ,间歇振荡至平衡 ,测定在HAc-NaAc缓冲体系中介质pH对树脂吸附Cu2+的影响,结果如图1所示。可以看出,pH=4.19时,Cu2+吸附率最大,lgD=3.71。pH>4.19后,体系发生水解。以下试验均在pH=4.19的HAc-NaAc体系中进行。

图1 pH对分配比的影响

2.2 吸附速率及表观活化能的测定

准确称取15.0 mg树脂,在 T=298K、p H=4.19、ρ0=200μg/mL条件下进行吸附平衡试验。每隔一定时间测定溶液中Cu2+的残余质量浓度,直至平衡。将测得的一系列数据,经体积校正后换算成相应的吸附量,以Q～t作图得图2。

图2 吸附速率曲线

Cu2+在110＊树脂上的吸附,在开始阶段,符合速率方程

式中:F=Qt/Q∞,Qt和Q∞分别为反应时间 t和平衡时每g树脂的吸附量。以-ln(1-F)对t作图得图3。由图3直线斜率求得110＊树脂吸附Cu2+的表观速率常数 k298=1.55×10-4s-1,相关系数 r=0.972 2,表明液膜扩散为吸附过程的主控步骤[8]。改变温度,其他条件和方法不变,分别得308 K和318 K时-ln(1-F)～t的线性关系曲线(见图3),求得 k308=2.83×10-4s-1,k318=4.20×10-4s-1。根据Arrhenius公式

以lgk～1/T作图得图4,根据图4得表观活化能Ea=37.2 kJ/mol。

图3 吸附速率常数曲线

图4 活化能测定曲线

2.3 等温吸附曲线

准确称取15.0,20.0,25.0,30.0,35.0 mg树脂 5 份 ,在 T=298 K、p H=4.19、ρ0=267 μg/mL条件下,按1.2.1方法进行试验,测定平衡时溶液浓度ρe,换算成相应吸附量Q,根据Freundlich 等温式 Q=aρ1/be,以 lgQ 对 lgρe作图得图 5。图中直线的相关系数 r=0.988 2,由此可求得常数 b=5.59。b值在 2～10之间,表明 110＊树脂吸附Cu2+的反应容易进行[9]。

图5 Freundlich等温曲线

2.4 温度对吸附的影响及热力学参数的确定

准确称取 15.0 mg树脂 3份,在ρ0=200 μg/mL、pH=4.19条件下 ,测定298、308、318 K时树脂吸附Cu2+的分配比。以lgD对 T-1×103作图,得图6。图中直线相关系数 r=0.999 4,表明升高温度对吸附有利,吸附过程是吸热的,吸附反应为化学吸附。直线斜率 k= -0.773×103,截距=6.26。根据lgD=-ΔH/2.303RT+ΔS/R,求得ΔH=14.8 kJ/mol,ΔS=52.0 J/(mol·K)。T=298 K时 ,ΔG=ΔH-TΔS=-0.7 kJ/mol,表明树脂吸附Cu2+在该条件下可以自发进行。

图6 温度对分配比的影响

2.5 红外光谱分析[10]

110＊树脂吸附 Cu2+为化学吸附,说明树脂功能基与Cu2+结合形成了化学键。为了进一步证实上述推测,测定了树脂吸附Cu2+前后的红外光谱。结果表明:吸附Cu2+后,树脂上的C—OH键在3 435.5 cm-1处的吸收峰移至3 467.7 cm-1处,说明C—OH中的 H发生了交换并导致C—O键增强。C=O键在1 672 cm-1处的特征吸收峰明显减弱,说明C=O键中的O与Cu2+发生了配位因而使C=O键强度减弱,从而发生了红移。

2.6 铜的解吸与回收

对吸附等量Cu2+的110＊树脂6份各加入30 mL(0.1～2.0 mol/L)HCl溶液,振荡平衡后测定水相中 Cu2+质量浓度,结果见表 1。用 1.0 mol/L HCl溶液解吸,解吸时间4 min时,解吸率为50.6%,6 min时解吸率为95.9%,10 min时解吸完全。解吸容易进行,表明 HCl是一种实用的解吸剂。

表1 不同浓度盐酸溶液的解吸试验结果

Cu2+被吸附后,用 1.0 mol/L HCl溶液洗脱,再用二次蒸馏水清洗树脂数次,然后再进行3次吸附-解吸试验,结果吸附容量几乎没有变化,证明110＊树脂有非常优秀的再生能力,可再生利用。

3 结论

1)110＊树脂可用于从溶液中吸附Cu2+。在p H=4.19时,静态饱和吸附容量为240 mg/g;用浓度为1.0～2.0 mol/L HCl溶液解吸,解吸率近100.0%。

2)树脂吸附Cu2+的过程符合 Freundlich经验式,吸附反应容易进行,吸附过程受化学反应控制。

3)树脂吸附 Cu2+的热力学参数为:ΔH=14.8 kJ/mol,ΔS=52.0 J/(mol·K),ΔG=-0.7 kJ/mol,表观活化能 Ea=37.2 kJ/mol,表观速率常数 k298=1.55×10-4s-1。

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Abstract:The adsorption behavior of 110＊resin for Cu(Ⅱ)is investigated.The 110＊resin has a good adsorption ability for Cu2+in the HAc-NaAc medium when p H=4.19.The statically saturated adsorption capacity is 240 mg/g resin.Cu2+adsorbed on 110＊resin can be eluted quantitatively by using 1.0～2.0 mol/L hydrochloric acid as an eluant.The apparent rate constantk298is of 1.55×10-4s-1.The apparent activation energy is of 37.2 kJ/mol.The adsorption behavior of 110＊resin for Cu2+obeys the Freundlich isotherm.The adsorption thermodynamic parameters ΔH=14.8 kJ/mol,ΔG=-0.7 kJ/mol,ΔS=52.0 J/(mol·K),respectively.The adsorption mechanism of 110＊ resin for Cu2+is chemical adsorption by chemical analysis and IR spectrometry.

Key words:110＊resin;copper(Ⅱ);adsorption;thermodynamics

Studies on Adsorption Behavior of 110＊Resin for Copper(Ⅱ)

WANG Hui-jun,GAO Wei-biao
(Marine Science College,Zhejiang Ocean University,Zhoushan,Hangzhou 316004,China)

TF804.3

A

1009-2617(2010)04-0270-03

2010-03-18

浙江省教育厅科研资助项目(编号20040551)。

王惠君(1958-),女,浙江舟山人,副教授,主要研究方向为高分子功能材料应用。