SDS改性活性炭对铜离子的吸附研究

李胜英，蒙俊华，张汝峰，罗世聪

(河池学院 化学与生物工程学院，广西 宜州 546300)

0 引言

活性炭是一种优良的吸附剂，被广泛应用于废水处理，其在废水的规模处理中已经有七十多年的历史了。但活性炭的亲水性差，在水中分散缓慢，同时吸附针对性不强等是活性炭本身的一大病症。因此对活性炭进行改性成为了很多学者研究活性炭的方向，如王艳［1］等人以自制活性炭及其活性炭负载铁作为吸附剂，用于水中As3+的去除，自制活性炭对砷的吸附除去率均小于6%，但是经过铁改性之后的这些活性炭对砷的除去率都高于40%;冷阳［2］等人往活性炭加MnCl2煅烧改性，结果表明用Langmuir模型计算出改性前后活性炭对Cr(Ⅵ)的吸附的最大吸附量分别为10.845 9 mg/g和15.408 3 mg/g，提高了约42.06%;熊麟、刘冠群等采用负载银离子的方式改性活性炭大大的提高了活性炭对二苯丙噻吩的吸附量［3］。本研究主要是针对活性炭吸附铜离子，利用阴离子表面活性剂的亲水性以提高活性炭的亲水性，并改变活性炭表面的电荷特性［4］，从而提高对铜离子的吸附能力，同时研究铜初始浓度、pH、时间等条件对吸附的影响，并在此基础上探讨表面活性剂改性活性炭对铜离子的吸附机理。

1 材料与方法

1.1 SDS改性活性炭的制备及改性剂用量的确定

称取10 g商品活性炭加入200 mL 0.1 mol/L的柠檬酸溶液，60℃恒温水浴浸泡2 h，浸泡后将活性炭洗至中性，80℃烘干备用。

将所得活性炭浸泡在装有200 mL一定质量分数的SDS(0.00%、0.20%，0.30%，0.35%)溶液的锥形瓶中，于常温下磁力搅拌6 h，然后取出活性炭，用蒸馏水洗涤，60℃烘干，得到SDS改性活性炭。

1.2 铜离子的浓度检测

用紫外－可见分光光度计对铜离子浓度进行检测，吸收波长为440 nm。采用二乙基二硫代氨基甲酸钠直接光度法测定铜离子含量［5］，并计算吸附容量Q。

式中，C0(mg/L):铜离子的初始浓度;Ce(mg/L):平衡时铜离子的浓度;V(mL):水相的体积;W(g):所用活性炭的质量。

1.3 铜离子吸附实验

配制50 mg/L Cu2+溶液200 mL，加入一定量的活性炭，室温下磁力搅拌数小时，使用0.45μ微孔滤膜过滤，测定Cu2+的浓度。然后对吸附时间、pH、改性活性炭使用量、铜离子初始浓度做单一变量实验。

2 结果与讨论

2.1 不同质量分数的SDS改性的活性炭对铜离子吸附的影响

在200 mL铜离子溶液初始浓度为50 mg/L、溶液pH值为5、吸附时间为2 h、改性活性炭的投加量为0.200 0 g的条件下，考察不同SDS量改性活性炭对铜离子吸附的影响，结果如表1所示。由表1可见，随着改性剂量的增加，活性炭的吸附容量逐渐增大，0.30%SDS－AC对铜离子的吸附量为38.7621 3 mg/g，AC对铜离子的吸附量为15.178 6 mg/g，前者是后者的2.5倍左右。原因在于SDS改性后，提高活性炭在溶液中的分散性，改变了活性炭的表面化学特性，增强了活性炭表面的电负性［6］;且活性炭改性前经过酸处理，活性炭表面的羧基官能团含量提高，亦能够提高活性炭对铜离子的吸附［7］，因此经SDS改性后的活性炭能够明显地提高铜离子的吸附量。

表1 不同质量分数的SDS对铜离子的吸附影响

但随着活性剂量的增加，0.35%改性活性炭和0.3%的相差不大，这是因为0.3%的SDS已经接近于SDS的表面临界胶束浓度，此时再提高SDS的浓度并不能再提升SDS对活性炭的改性效果，因此对铜离子的吸附效果变化不大，综合改性剂用量及吸附效果，SDS改性剂用量为0.3%。

2.2 吸附时间对改性活性炭吸附铜离子的影响

在200 mL铜离子溶液初始浓度为50 mg/L、溶液pH值为5、改性活性炭的投加量为0.200 0 g的条件下，考察吸附时间对铜离子吸附量的影响，结果如图1所示。由图1可知，SDS－AC对铜离子吸附前15 min，活性炭对铜离子的吸附速率很快，随后的一段时间内吸附速率趋于缓慢，而60 min后几乎没什么变化，吸附达到平衡。原因在于吸附初期，吸附作用主要发生在活性炭的外表面和部分微孔内，且此时铜离子浓度相对较大，铜离子向活性炭表面扩散的速率也相对较快，而随着吸附作用的进行，活性炭的外表面和微孔逐渐被铜离子占据，有效吸附位点相对减少，同时溶液中的铜离子浓度也逐渐降低，扩散速率也相对下降，因此活性炭对铜离子的吸附速率也会逐渐下降，直至达到吸附平衡［8］。

2.3 pH对改性活性炭吸附铜离子的影响

在200 mL铜离子溶液初始浓度为50 mg/L、常温搅拌吸附时间为1h、改性活性炭的投加量为0.200 0 g的条件下，考察溶液pH值对改性活性炭吸附铜离子效果的影响，由于铜离子在溶液pH值大于6.5时，会产生氢氧化铜沉淀，因此设定溶液pH值为1～7，结果如图2所示。由图2可以看出，随着pH的增大，活性炭对铜离子的吸附量增大，在pH＜3时，活性炭对铜离子的吸附量很小，这是因为在pH较小的溶液中，活性炭的表面被质子化，H+和Cu2+产生竞争吸附，限制了Cu2+与活性炭吸附点位的接触［9］。当pH＞3后，活性炭表面电势密度降低，Cu2+与活性炭表面的静电斥力减少，同时也可能由于活性炭改性时经过酸处理，使得活性炭表面的官能团多为弱酸性，当溶液的pH值升高后，活性炭上负电势点增多，从而吸附量增多［10］。但由于当pH＞5.6时，铜离子会产生氢氧化铜沉淀，因此改性活性炭对铜离子的最佳吸附条件为pH=5。

图1 吸附时间对Cu2+吸附影响

图2 溶液pH对Cu2+吸附影响

2.4 改性活性炭投加量对铜离子吸附的影响

在铜离子溶液初始浓度为50 mg/L、常温搅拌吸附时间为1 h、溶液pH值为5的条件下，考察SDS－AC投加量对改性活性炭吸附铜离子效果的影响，结果如图3所示。由图3可以看出，当活性炭的投加量小于0.200 0 g时，随着活性炭投加量的增大，活性炭吸附容量也增大，这是因为当活性炭的量小的时候，铜离子的量是相对过量的，当活性炭投加量等于0.200 0 g时，活性炭吸附容量达到最大值，而当活性炭投加量大于0.200 0 g时，随着活性炭的投加量的增加，活性炭的吸附容量逐渐降低，因为溶液中铜离子的量是一定的，此时活性炭的量过多，使得单个活性炭分子并没有能达到自身吸附能力的最大值，因此会使得吸附容量会随着活性炭投加量的增加而减小［11］，综合考虑活性炭的最佳投加量为0.200 0 g。

2.5 改性活性炭对铜离子的吸附等温线

取一系列浓度的铜离子溶液(20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L)做等温吸附实验，结果如图4所示，由图4可知，随着铜离子初始浓度的增大，活性炭对铜离子的吸附量也会逐渐增大，最终趋于稳定，饱和吸附量达35.10mg/g。因为当改性活性炭投加量一定时，提供的活性吸附位点有限，有一定的饱和吸附量，当铜离子浓度低时，达不到改性活性炭的饱和吸附量，因此吸附量会随着铜离子浓度的增高而增大，当铜离子浓度足够高时，活性炭吸附量趋于饱和，最终稳定下来。

图3 投加量对Cu2+吸附的影响

图4 铜离子初始浓度对吸附效果的影响

为进一步考察改性活性炭对铜离子的吸附特征，采用Langmuir吸附等温模型及Freundlich吸附等温模型对数据进行拟合。Langmuir吸附等温方程和Freundlich吸附等温方程分别如式(2)和式(3)所示:

式中:Qe为吸附平衡时单位质量改性活性炭对铜离子的吸附容量(mg/g);Qm为活性炭的最大单层吸附量;Kα为Langmuir吸附模型平衡吸附常数(L/mg)，可以表征吸附剂表面对吸附质的亲和力的大小，与吸附强度有关;Ce为吸附平衡时铜离子的浓度(mg/L);Qm为单位质量改性活性炭对铜离子的最大吸附量(mg/g);Kf、n为Freundlich吸附模型平衡常数，分别与吸附容量和吸附强度有关。

图5 改性活性炭吸附Cu2+的Langmuir和Freundlich吸附等温线

图5分别为改性活性炭吸附铜离子的Langmuir吸附等温线和Freundlich吸附等温线的线性关系图。由图5中的直线斜率计算出的吸附速率常数和相关系数R2记录于表2中。根据Freundlich吸附等温线模型，一般情况下，当1＜n＜10，说明该吸附剂吸附性能较好，n值越小，说明吸附性能越好，且吸附剂和吸附质之间的吸附越稳定［12］。而改性活性炭吸附的n值在2～3之间。说明活性炭本身对铜离子的吸附能力较强。但通过比较2个方程的线性相关度R2，可知采用Langmuir方程拟合数据更加准确，Langmuir等温式更适合用于描述铜离子在改性活性炭上的吸附行为，属于单分子吸附。

表2 改性活性炭对Cu2+的吸附等温线参数

3 结论

(1)活性炭经柠檬酸预处理，再经十二烷基硫酸钠(0.3%)改性后能有效的提高铜离子的吸附量，改性后的活性炭对铜离子的最大吸附量为38.762 1 mg/g，是未改性的活性炭的2.5倍左右。改性后的活性炭对铜离子的最佳吸附条件为:投加量0.200 0 g，pH值等于5，吸附时间为60 min即可达到吸附平衡。

(2)根据Langmuir吸附等温式和Freundlich吸附等温式拟合程度可知，改性后活性炭对铜离子的吸附规律均符合Langmuir和Freundlich方程，但Langmuir吸附等温式更适合用于描述铜离子在改性活性炭上的吸附行为，属于单分子吸附。

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