改性玉米秸秆对水体中Pb2＋的吸附

许桂花， 姚艳红， 李承范

（1.延边大学理学院 化学系；2.延边大学 分析测试中心：吉林 延吉，133002）

改性玉米秸秆对水体中Pb2＋的吸附

许桂花1， 姚艳红2， 李承范2

（1.延边大学理学院 化学系；2.延边大学 分析测试中心：吉林 延吉，133002）

对改性玉米秸秆对水体中重金属Pb2＋的吸附性能进行了研究.结果表明：在浓度≤30 mg／L的Pb2＋的水体中，当改性秸秆的加入量为0.2 g、p H值为6.0～8.0、温度为298 K时，经过40 min即可达到吸附平衡，且Pb2＋的吸附率为94.57%，吸附量为9.01 mg／g.采用双常数方程拟合该吸附过程的动力学特征曲线，R2为0.867 7；其吸附等温线可用Langmuir和Temkin方程很好地拟合，其中Langmuir方程拟合得最好（R2为0.996 6），最大饱和吸附量为9.12 mg／g.

玉米秸秆；改性；Pb2＋；吸附

Pb2＋具有毒性，在环境中不易转化，当其通过各种途径进入水体后，经过水中各种生物链的富集，最终会对人体产生危害［1］.传统的去除水体中Pb2＋的方法有化学沉淀法、电解法、离子交换法和膜技术分离法等，这些方法最突出的问题在于处理低浓度的金属废水时，操作繁琐，运行费用较高，且易造成2次污染.目前，吸附法［2］作为一种较为高效、经济的Pb2＋废水处理方法受到人们的普遍关注.一些学者已将一些农业废弃物如甘蔗渣［3］、花生壳［4］、苹果渣［5］等改性制备成离子吸附剂，并取得了良好的效果.本文将玉米秸秆进行化学改性后制备成吸附剂，研究其对生产及生活中Pb2＋废水的处理效果，以实现秸秆的资源再利用，同时为水体中Pb2＋的处理提供科学的参考依据.

1 实验部分

1.1 材料的收集与制备

玉米秸秆样品采自龙井市开山屯镇光照乡，用去离子水洗净，烘干，粉碎后过80目筛子，备用.

1.2 试剂与仪器

试剂有盐酸，氢氧化钠，氯化锌，去离子水，Pb2＋标准溶液（1 000 mg／L）.仪器用7 500电感耦合等离子质谱仪（ICP－MS），MK－Ⅱ型光纤孔压微波消解器（上海新科微波技术应用研究所），酸度计（PHS－3C），电热恒温鼓风干燥箱（101－2－S），水浴恒温振荡器（SHA－B），50 m L聚乙烯离心管，抽滤装置.

1.3 改性玉米秸秆的制备

以玉米秸秆质量的2倍、质量分数为50%的ZnCl2溶液浸渍玉米秸秆24 h后，用微波炉（功率为750 W）活化3 min，再用质量分数为1%的稀盐酸和去离子水漂洗，调节p H值为7，抽滤，烘干.

1.4 吸附动力学实验

分别称取0.2 g（精确到0.000 1 g）改性玉米秸秆若干份，置于50 m L聚乙烯离心管中，再分别加入含Pb2＋20 mg／L的溶液（空白组除外），使溶液中Pb2＋的初始浓度分别为5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 mg／L；用去离子水调节溶液的p H 值为7，然后定容至20 m L.同时做空白实验.于恒温振荡器中以200 r／min的速度振荡10、20、30、40、50、60、70 min后过滤，用ICP－MS测定滤液中金属离子的浓度，实验重复3次.扣除空白，由初始浓度和平衡浓度之差，计算出不同吸附时间下改性玉米秸秆对金属的吸附量及吸附率.分别采用一级动力学方程、双常数方程、Elovich方程［6］等对该过程的吸附动力学进行拟合.Pb2＋的吸附量计算公式为Q＝（C0－Ce）×V／W，式中Q为吸附量（mg／kg）；C0为初始浓度（mg／L）；Ce为平衡浓度（mg／L）；V 为溶液体积（20 m L）；W 为吸附剂质量（g）.

1.5 吸附等温实验

分别称取0.2 g（精确到0.000 1 g）改性玉米秸秆若干份，置于50 m L聚乙烯离心管中，并分别加入含Pb2＋20 mg／L的溶液（空白组除外），使溶液中Pb2＋的初始浓度分别为5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 mg／L；用去离子水调节溶液的p H 值为7，然后定容至20 m L.同时做空白实验.于恒温振荡器中以200 r／min的速度振荡40 min后过滤，测定溶液中Pb2＋的浓度（重复3次）.扣除空白，由初始浓度和平衡浓度之差，计算出不同浓度下改性玉米秸秆对金属的吸附量及吸附率.做出吸附等温线，并模拟不同的吸附等温模型［7］，得出吸附等温式及特征值.

2 结果与讨论

2.1 吸附剂用量对Pb2＋吸附效果的影响

取8支50 m L聚乙烯离心管，分别加入改性玉米秸秆0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.40 0.50、0.60 g（精确到0.000 1 g），然后再分别加入20 mg／L的Pb2＋溶液（空白组除外）20 m L.同时做空白实验.在298 K条件下，以200 r／min的速度恒温振荡40 min后过滤，用ICP－MS测定滤液中Pb2＋的浓度，实验重复3次.扣除空白，由初始浓度和平衡浓度之差，计算吸附量及吸附率，结果如图1所示.

图1 改性玉米秸秆投加量对Pb2＋吸附效果的影响

从图1可以看出：随着改性玉米秸秆投加量的增大，改性玉米秸杆对Pb2＋的吸附率也随之升高，当改性玉米秸秆质量为0.2 g时，吸附率的变化不明显，但吸附量迅速降低；投加改性玉米秸秆质量为0.2 g时，吸附率为89.69%，吸附量为8.33 mg／g.因此，确定0.2 g为吸附剂的最佳投加量.

2.2 p H值对Pb2＋吸附效果的影响

分别称取0.2 g（精确到0.000 1 g）改性玉米秸秆若干份，置于50 m L聚乙烯离心管中，再分别加入20 mg／L的Pb2＋溶液（空白组除外），然后用质量分数为1%的稀盐酸和0.1 m L／L的氢氧化钠调节，使其p H 值分别为1.0、2.0、3.0、4.0 5.0、6.0、7.0、8.0、9.0.同时做空白试验.在298 K条件下，以200 r／min的速度恒温振荡40 min后过滤，测定滤液中Pb2＋的浓度，实验重复3次.扣除空白，由初始浓度和平衡浓度之差，计算不同p H值下的吸附量及吸附率，结果如图2所示.

图2 p H值对Pb2＋吸附效果的影响

由图2可以看出：在p H值为1.0～5.0时，随着p H值增大，改性玉米秸秆对Pb2＋的吸附率及吸附量迅速增加；在p H值为7.0时，吸附率及吸附量基本达到最大，分别为91.13%和9.31 mg／g.这是由于随着p H值的升高，改性玉米秸秆表面的正电位降低，进而促进了吸附［8］.p H 值超过7.0后，吸附率和吸附量变化不明显，因此本文在以下的实验中p H值选择为7.

2.3 振荡时间对Pb2＋吸附率及吸附量的影响

分别称取0.2 g（精确到0.000 1 g）改性玉米秸秆若干份，置于50 m L聚乙烯离心管中，再分别加入20 mg／L Pb2＋溶液（空白组除外），调p H值为7，用去离子水定容.同时做空白试验.在298 K条件下，以200 r／min的速度恒温振荡10、20、30、40、50、60、70 min，取出样品后过滤，测定滤液中Pb2＋的浓度，实验重复3次.计算吸附量及吸附率，结果如图3所示.

图3 震荡时间对Pb2＋吸附效果的影响

由图3的动力学曲线可以看出：在20 min内完成了总吸附量的83.64%～84.86%，20～40 min时完成了总吸附量的7.38%～8.61%，这可能是由于吸附剂上的活性位置被充分利用［9］，40 min以后吸附达到平衡.因此，改性玉米秸秆对Pb2＋的吸附是一个快速吸附过程，40 min即可达到吸附平衡.

选用一级动力学、双常数方程、Elovich方程对改性玉米秸秆的Pb2＋吸附动力学过程进行了拟合，其中双常数方程的R2最大，为0.876 6，拟合方程为ln Q＝4.299＋0.876 6 ln t，拟合效果最好.其原因可能是改性玉米秸秆对Pb2＋吸附的主要形式是层间阳离子交换和表面络合吸附［10］，而并非是单一机制，同时也有可能与玉米秸秆改性后的结构及官能团的变化有关系.由于改性玉米秸秆的结构复杂，具体的结构及官能团的变化有待进一步的研究.

2.4 玉米秸秆对Pb2＋吸附的热力学特征

2.4.1 Pb2＋的 吸 附 等 温 线 在 Pb2＋浓 度为0.0～60 mg／L范围内进行模拟试验，根据静态平衡吸附实验测定的平衡浓度，计算后分别得改玉米秸秆对Pb2＋的平衡吸附量.在298 K下，做Pb2＋的吸附等温曲线，结果见图4.由图4可以看出：当Pb2＋浓度为0.0～20 mg／L时，吸附量迅速增加到8.56 mg／g；而在浓度为25～60 mg／L时吸附量增加变缓，当吸附量增加到9.10 mg／g时吸附趋于平衡.

图4 改性玉米秸秆对Pb2＋的吸附等温线

2.4.2 吸附模型的模拟 分别用Freundlich Langmuir和Temkin方程，对改性玉米秸秆对Pb2＋的吸附等温线进行拟合，拟合方程如表1所示.由于数据相同，均采用一元非线性方法拟合所以可以根据相关系数（R2）最大、K 最小原则对不同方程的拟合效果即精度进行比较.从表1可看出，对于改性玉米秸秆用Langmnir等温式的线性转换C／Q＝1／K1Qmax＋C／Qmax是最合适的.

表1 改性玉米秸秆对Pb2＋的拟合模型参数

2.5 改性后玉米秸秆吸附性能的变化

分别称取0.2 g（精确到0.000 1 g）玉米秸秆和改性玉米秸秆若干份，置于50 m L离心管中，再分别加入10、20、30 mg／L Pb2＋溶液（空白组除外），调p H值为7，用去离子水定容.同时做空白试验.在298 K条件下，以200 r／min的速度恒温振荡40 min后取出样品，测定滤液中Pb2＋的浓度，实验重复3次.计算吸附量及吸附率，结果见表2.

表2 玉米秸秆改性前后吸附能力的对比

3 结论

本文的研究表明，通过化学改性的玉米秸秆对水体中Pb2＋的吸附效果优于未改性的玉米秸秆，将玉米秸秆制备成吸附剂，不但可实现秸秆的资源化利用，而且还可达到“以废治废”的目的，同时也能为水体中Pb2＋的处理提供一定的参考依据.而对于其他重金属，如Cd2＋、As3＋等，是否也具有较好的吸附效果还有待于进一步研究.

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The adsorption of heavy metal ion Pb2＋in water with the modified corn straw

XU Gui－hua1， YAO Yan－hong2， LI Cheng－fan2
（1.Department of Chemistry，College of Science，Yanbian University；2.Analysis and Inspection Center，Yanbian University：Yanji 133002，China ）

The adsorption of heavy metal ion Pb2＋in water with the modified corn straw are studied.The results show that the adsorption rate of Pb2＋in water is 94.57%，adsorption capacity is 9.01 mg／g and absorbing equilibrium time is 40 minutes，when the dosage of corn strawis 0.2 g p H is 6.0－8.0 and adsorbing temperature is 298 K for the Pb2＋concentration in water is less than 30 mg／L.Two－constant equation can be used to fit the dynamics characteristic curve，R2is 0.867 7；both Langmuir and Temkin equation can be used to fit well the adsorption isotherm，moreover，the former is better than the latter，R2is 0.996 6，the maximum amount of saturated adsorption is 9.12 mg／g.

corn straw；modified；Pb2＋；adsorption

X703.1

A

1004－4353（2012）03－0228－04

20120702

许桂花（1967—），女，实验师，研究方向为水环境污染与治理.