生物炭对铅离子的动态吸附

周 旋，邓光天，郑 琳

（武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北 武汉 430074）

0 引 言

近年来，随着工业的发展，重金属水污染事故频发.由于重金属无法被大自然降解，通过食物链放大作用进入到人体，严重危害人体健康［1－2］.其中，铅污染尤其严重，环境中的铅经污染水源进入人体，会引起呼吸、消化、神经、血液、泌尿及免疫系统急性或慢性中毒症状，严重时甚至会导致死亡现象.

吸附法是近年发展起来的一种重金属废水处理方法，比起传统的方法，因其原料丰富，生产工艺简单，成本低廉及环境友好等优点而备受研究者的关注，目前研究的热点主要是生物吸附剂［3－4］.生物炭孔隙度好、比表面积大、吸附能力强，常被用作重金属废水处理的生物吸附剂［5］.王亚非［6］等成功利用城市污水厂剩余污泥制备生物炭吸附重金属离子镉.本研究采用皂素废渣制备生物炭吸附废水中铅离子，并对生物炭处理重金属废水过程中初始浓度、流速、初始pH值及生物炭投加量等影响因素进行研究，然后利用Thomas模型进行线性拟合，为综合利用皂素废渣开辟新的应用途径，充实了废水中重金属生物炭动态吸附的理论.

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

FW135型粉碎机；HTL1100－80型管式气氛炉；BSA124S电子分析天平；pHS－3C精密pH计；TAS－990AFG型火焰原子吸收分光光度计；AQS 12040012型艾科浦超纯水机；SB－80型超声波清洗机.

生物炭［黄姜皂素废渣粉碎、热解、过0.180 mm（80目）筛］，硝酸铅，硝酸，盐酸.

1.2 动态吸附装置

吸附柱是内径为20mm、长为30cm的玻璃柱，吸附柱底部设计一块石英砂板作为垫层；玻璃管顶部倒置容量为300mL带胶塞的血清瓶，胶塞连接一根导流管，导流管设计有调节阀用于调节重金属溶液的流速.再设计时间点取样，将重金属溶液稀释后，TAS－990AFG型火焰原子吸收分光光度计测定吸光度，根据标准曲线计算其出水浓度，以时间为横坐标，出水浓度为纵坐标，绘制穿透曲线.

动态吸附装置见图1.

1.3 实验方法

采用降流式固定吸附床，分别称取一定量的生物炭装入玻璃吸附柱中，先用蒸馏水冲洗浸泡10min，待生物炭完全湿润后，将质量浓度为C0（mg／L）的Pb2＋（铅离子）溶液自上而下以恒定的流速流过吸附柱，定时取样.抽滤，用火焰原子吸收分光光度计测定滤液中Pb2＋的浓度（Ct），绘制不同因素影响下Ct随着时间t（min）变化的穿透曲线.

图1 动态实验装置示意图Fig.1 Device diagram of dynamic experiment

穿透曲线是用来描述吸附柱滤液浓度变化的曲线.本实验选取Ct／C0＝0.5（Ct为吸附t时刻滤液的质量浓度，mg／L；C0为溶液的初始质量浓度，mg／L）时的穿透时间为穿透曲线的穿透点，并对穿透时间进行分析.

2 结果与讨论

2.1 生物炭投加量的影响

选择不同的生物炭的投加量，1.5、2.0、2.5g，其滤液浓度与时间的穿透曲线见图2.

图2 生物炭投加量对吸附过程的影响Fig.2 Influence of biochar dosage on adsorption process

由图2可见，生物炭投加量分别为1.5、2.0、2.5g时，对应的穿透时间为55、74、95min.表明在其它条件不变的情况下，随着生物炭投加量的增加，穿透时间增长.这是因为增加生物炭的量，吸附柱内的吸附点位和比表面积增加，吸附柱较难达到饱和，即穿透时间延长.

2.2 初始浓度的影响

改变不同的重金属溶液的初始浓度，即质量浓度（mg／L）分别为200、400、600，其滤液浓度与时间的穿透曲线见图3.

图3 初始浓度对吸附过程的影响Fig.3 Influence of adsorbent concentration on adsorption process

由图3可见，质量浓度分别为200、400、600 mg／L时，对应的穿透时间为130、55、45min.表明在其它条件不变的情况下，随着上柱Pb2＋初始浓度的增加，穿透时间缩短.这是由于Pb2＋浓度增大，传质动力也随之增大，吸附点位可以轻易被Pb2＋迅速占据，导致吸附带时间缩短.

2.3 流速的影响

改变不同的过柱流速，即流速（mL／min）分别为2、4、6，其滤液浓度与时间的穿透曲线见图4.

图4 流速对吸附过程的影响Fig.4 Influence of flow velocity on adsorption process

由图4可见，2、4和6mL／min流速时的穿透时间分别为81min、35min及21min.表明在其它条件不变的情况下，随着流速增大，穿透时间缩短.这可能是由于随着Pb2＋溶液流速的加快，同等时间流经吸附柱的Pb2＋的量随即增加，吸附柱更容易达到饱和，即穿透时间缩短.

2.4 pH值对吸附过程的影响

改变不同的重金属废水的pH值，即pH值分别为1、2、3、4、5，其滤液浓度与时间的穿透曲线见图5.

图5 pH值对吸附过程的影响Fig.5 Influence of pH value on adsorption process

由图5可见，pH值为1时的穿透时间很短，约10min，pH 值为2、3、4、5时，其穿透时间分别为18、37、45及38min.表明在其它条件不变的情况下，随着pH值的增大，穿透时间延长.这是因为生物炭表面存在大量的－OH，－COOH，－C＝O等活性基团，当pH值较低时，溶液中H＋浓度增加，H＋与－OH，－COOH，－C＝O活性基团发生反应，从而降低了生物炭表面负电荷活性基团的浓度及亲和性，重金属阳离子吸附减弱.随着溶液中pH值的升高，H＋浓度逐渐减少，H＋与－OH，－COOH，－C＝O活性基团发生反应减缓，生物炭表面有大量的活性基团可以充分吸附重金属阳离子，增加其吸附量，达到吸附饱和的时间也会延长，即穿透时间延长.

2.5 吸附穿透曲线

考虑到实验周期及可操作性，称取1.0g生物炭，室温下，调节pH 为4.5，将500mg／L的Pb2＋溶液自上而下以2.0mL／min的流速流过吸附柱，每隔5min收集滤液，抽滤，用火焰原子吸收分光光度计测定滤液中Pb2＋的浓度，绘制滤液浓度与时间的穿透曲线见图6.

图6 动态吸附穿透曲线Fig.6 Active breakthrough curve of dynamic adsorption

从图6可见，实验开始时，Pb2＋迅速被生物炭吸附，导致出水Pb2＋浓度很低，随着时间的推移，生物炭表面的吸附点位逐渐被占据，生物炭表面亲和性降低，逐渐变得饱和，Ct／C0越来越接近1，直到Ct／C0＝0.95为止.

2.6 Thomas模型线性拟合

Thomas吸附动力学模型是用来拟合吸附柱滤液穿透曲线并可以计算出吸附剂的饱和吸附量和吸附速率常数的吸附动力学模型.Thomas吸附动力学模型如公式（1），其线性表达式如公式（2）

式（1）中：KT［单位，mL／（min·mg）］是速率常数；q0（单位，mg／g）是饱和吸附量；M（单位，g）是吸附剂的质量；V（单位，mL）是滤液的体积；x（单位，L／min）是溶液流出速率.

以t为横坐标，ln（C0／Ct－1）为纵坐标作图，结果见图7.根据公式（2），从斜率和截距可以计算得到q0和KT.

图7 Thomas模型线性回归图Fig.7 Thomas model linear regression figure

如图7可知，拟合系数R2＝0.951 55，可见Thomas模型能用于表达生物炭吸附Pb2＋的动力学过程，即说明生物炭动态吸附Pb2＋不存在轴向扩散.经计算可得：q0＝26.58mg·g－1，KT＝4.8×10－5mL／（min·mg）.

3 结 语

本研究考察了重金属Pb2＋溶液的生物炭投加量、初始浓度、流速、及初始pH值对生物炭动态吸附过程的影响.结论如下：

a.生物炭的投加量增加，动态吸附穿透时间由55min延长至95min；Pb2＋初始浓度增加，穿透时间由200mg／L 时 的130min，缩短为600mg／L时的45min；流速增大穿透时间缩短，流速2mL／min增大至6mL／min时，穿透时间由81min缩短为21min；pH值增大穿透时间延长，pH值1增至5时，穿透时间分别为10、18、37、45及38min.

b.Thomas模型能够很好地描述生物炭吸附Pb2＋的动力学特征，拟合系数R2＝0.951 55，经计算可得：q0＝26.58mg·g－1，KT＝4.8×10－5mL／（min·mg）.

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