板栗壳对废水中Pb2+吸附性能的研究

李欣娟+薛红琴+陆莹+许俊

摘要：以板栗壳作为吸附剂吸附废水中的Pb2+，实验研究了吸附时间、吸附剂用量、Pb2+初始浓度以及废水pH值对吸附过程的影响;采用扫描电镜（SEM）分析吸附剂的主要物理特性，对Pb2+吸附过程进行了动力学分析，通过等温吸附模型对实验结果进行了拟合，探讨了废水中Pb2+的吸附性能。研究结果显示：板栗壳吸附Pb2+吸附平衡时间为80min，Pb2+初始浓度为50mg/L时，吸附剂最佳投加量为3g/L，最佳pH值为6，吸附平衡时Pb2+去除率可达到94.65%;吸附过程以准二级动力学方程拟合效果最好，吸附过程符合Langmuir等温吸附模型。

关键词：板栗壳;吸附;Pb2+

中图分类号：X52

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2014）12-0137-03

1引言

重金属铅是一种毒性很强的物质，可对人体许多器官，特别是肺脏、肾脏、生殖系统、心血管系统等造成不良影响[1]。传统的重金属废水处理方法主要有化学沉淀法、电化学法、膜分离法和吸附法等。采用化学沉淀法处理，一般废水要经过二次处理才能排放;电化学法和膜分离法成本高，且膜分离法中膜在应用过程中易受到污染导致效率降低;吸附法操作简单，且效率高，最早使用的吸附剂是活性炭，但其使用寿命短，使用成本高。近年来，农林废弃物作为生物吸附剂处理污水受到了广泛的关注。已报道的研究有壳类物质 （如花生壳[2]、谷壳[3]、大豆壳[4]、松树皮[5]等）用于重金属吸附性能方面的研究，且都取得了比较好的去除重金属的效果。采用农林废弃物作为吸附剂成本低廉，且可以达到以废治废的目的。本文以农林废弃物板栗壳为原料，经适当处理制备板栗壳吸附剂，研究其对废水中Pb2+的吸附效果及吸附特性。

2材料与方法

2.1实验材料与试剂准备

将板栗壳用去离子水洗净，105℃烘干24h，粉碎机粉碎。

取分析纯 Pb（NO3）2试剂，用0.2%的稀硝酸配置成500mg/L的储备液备用。

2.2实验仪器

电子分析天平（FA2004B，上海越平科学仪器有限公司），电热恒温鼓风干燥箱（GZX-9140MBE，上海博讯实业有限公司医疗设备厂），精密酸度计（PHB-4，上海精密科学仪器有限公司），原子吸收分光光度计（AFS-990，北京普析通用仪器有限责任公司），恒温振荡器（ZD-85，常州国华电器有限公司），扫描电镜（Quanta 200，FEI公司）。

2.3吸附实验

取板栗壳放入250mL锥形瓶中，再加入100mL（50mg/L）Pb2+溶液，根据所依据的性能要求，改变实验条件，再恒温振荡箱150r/min振荡至吸附平衡，取上清液经定量滤纸和0.45μm滤膜过滤后，用原子吸收分光光度计测定滤液中Pb2+的浓度，并以此计算Pb2+吸附量及去除率。

3结果与讨论

3.1吸附剂表征

图1为板栗壳放大4000倍的SEM照片，可看出板栗壳表面有很多褶纹，不光滑，凹凸不平，纤维结构明显，有利于Pb2+的吸附。

图1板栗壳SEM照片

3.2吸附时间对吸附效果的影响

取板栗壳放入250mL锥形瓶中，再加入100mL（50mg/L）Pb2+溶液，振荡，每隔一段时间取样，分析吸附时间对板栗壳吸附Pb2+的影响。结果如图2所示，由图中可以看出板栗壳吸附Pb2+大致可分为两个阶段：0～10min为快速吸附阶段，吸附10min Pb2+的去除率可以达到90.38%;10～80min为慢速吸附阶段，该阶段吸附去除率为94.65%，80min时达到吸附平衡。分析原因可能是由于吸附初始阶段板栗壳上的可吸附的位点多，因而吸附Pb2+迅速，随后可吸附的位点越来越少，吸附速率缓慢直至平衡。

采用准一级、准二级动力学方程以及颗粒扩散方程进行拟合，拟合的相关参数见表1。

准一级动力学模型为：

lg（Qe-Qt）=lgQe-K1t2.303（1）

准二级动力学模型为：

tQt=1K2Qe2+tQe（2）

颗粒扩散模型为：

Qt=Kp×t0.5（3）

式（1）～（3）中：t为反应时间，min;Qe为吸附达到平衡时的吸附量，mg/g;Qt为吸附在t时刻时的吸附量，mg/g;k1、k2分别为一级和二级吸附速率常数，mg/（g/min）;kp为颗粒内扩散速率常数，mg/（g/min）。

由表1中的拟合结果可知用准二级方程拟合的效果最好，由于准二级动力学方程建立在化学吸附假设的基础上，所以可以认为板栗壳对Pb2+的吸附为化学吸附过程。

3.3吸附剂用量对吸附效果的影响

研究吸附剂用量对吸附效果的影响，吸附剂投加量分别取2～10g/L，图3即为吸附剂用量与Pb2+去除率以及吸附量的关系图。

图3吸附剂用量对吸附效率的影响

由图3可知，随着板栗壳投加量的增加，板栗壳对Pb2+的去除率也随之升高，当板栗壳投加量为3g/L以后，去除率的变化不大，但吸附量降低;板栗壳投加量为3g/L时去除率为92.08%，吸附量为15.346mg/g，为了达到很好的吸附效果又充分利用吸附剂，确定3g/L为吸附剂的最佳投加量。

3.4等温吸附线

分别配置浓度为5～150mg/L的Pb2+溶液，取0.3g板栗壳，加入100mL不同浓度的Pb2+溶液中，振荡80min。吸附等温线如图4所示，由图4可看出随着平衡时Pb2+的浓度增加，被吸附的Pb2+也越多，吸附量增加，但当Pb2+增加到一定浓度之后，吸附剂上的可吸附位点达到饱和，吸附量趋于平缓。当初始浓度在5～50mg/L之间，去除率大于90%，初始浓度在50～150mg/L时，去除率低于90%，初始浓度为50mg/L时，Pb2+去除率为91.98%，为了达到较好的去除效果又充分利用吸附剂，确定板栗壳吸附Pb2+最佳初始浓度不超过50mg/L。endprint

图4吸附等温线

采用Langmuir、Freundlich以及Temkin等温吸附模型进行拟合，结果如表2。

Langmuir等温吸附模型可表示为：

CeQe=1bQm+CeQm                                   （4）

Freundlich等温吸附模型可表示为：

lgQe=1n×lgCe+lgKF （5）

Temkin等温吸附模型可表示为：

Qe=alnKT+alnCe           （6）

式（4）～（6）中：Ce为吸附平衡时Pb2+的浓度，mg/L;Qe为平衡吸附量，mg/g;Qm为溶质的饱和吸附量，mg/g;b为Langmuir等温吸附模型常数，与吸附热有关，L/mg;KF、n 分别为Freundlich等温吸附模型常数;a，KT为Temkin等温吸附模型经验常数。

Langmuir等温吸附模型是假定吸附剂表面的吸附能是均匀分布的单分子层吸附公式; Freundlich等温吸附模型是假设吸附剂表面能是不均匀分布的，是在多层吸附理论的基础上发展起来的等温吸附模型[6] 。由表2可以看出利用以上三种方程进行拟合，Langmuir等温吸附模型拟合效果最好，板栗壳对Pb2+是单层吸附，一般物理吸附发生多分子层吸附，化学吸附发生单分子层吸附，可认为该吸附过程是化学吸附。

3.5废水pH值对吸附效果的影响

取0.3g板栗壳，加入100mL（50mg/L）Pb2+溶液，调节废水pH值为1～8，振荡80min。pH值对吸附效果的影响如图5所示。由图5可知板栗壳对Pb2+吸附能力随着pH值的增长而增加至达到最大去除率后趋于平衡，在pH值为4～6之间，去除率都相对较高。这是由于一方面在较低的pH值环境下，H+ 浓度较高，H+与Pb2+发生竞争吸附作用，H+占据吸附剂表面的活性位点，使得Pb2+占据位点的机会变少，从而使得吸附去除的效率低[6];另一方面pH值会影响植物材料表面的有机基团的状态，当pH值较低时大量H+会与植物材料表面的有限位点结合抑制重金属离子的吸附，增加了植物材料表面的静电斥力;而pH值升高时会增加植物吸附材料表面的负电荷，促进Pb2+的吸附[7]。为避免过酸性废水的二次处理，确定最适pH值为6。

图5pH值对吸附的影响

4结论

（1）板栗壳对废水中Pb2+吸附的动力学符合准二级动力学方程，吸附等温模型符合Langmuir模型，是一个化学吸附的过程。

（2）板栗壳具有很强的吸附性能，对废水中Pb2+吸附去除率能达到94.65%，最适条件为吸附时间80min，吸附剂投加量为3g/L，Pb2+初始浓度为不超过50mg/L，pH为6。

（3）虽然板栗壳对水中Pb2+吸附的平衡时间约80min，但在前10min内，吸附的去除率就可达到90.38%，因此在实际应用中设定10min的吸附时间，可大大的节省时间，提高效率。

采用农林废弃物板栗壳作为污水中重金属处理吸附剂，具有原料来源广、成本低、不产生二次污染、短时间内具有高吸附效率等优势。

参考文献：

[1]李灵香玉，吴坚阳，田光明，等.利用农业废弃物处理重金属离子废水的研究进展[J]. 农机化研究，2009，31（9）：209～214.

[2]林芳芳，易筱筠，党志，等. 改性花生壳对水中Cd2+和Pb2+的吸附研究[J].农业环境科学学报，2011，30（7） ： 1404～1408.

[3]陈云嫩，丁元春. 谷壳对水中镉离子的吸附动力学及热力学研究[J]. 安徽农业科学，2009，37（7） ： 3190～3192.

[4]MARSHALL W E，WARTELLE L H，BOLER D E，et al. Enhanced metal adsorption by soybean hulls modified with citric acid[J].Biores Technol，1999，69（3）：263～268.

[5]AL-ASHEH S，BANAT F，AL-OMARI R，et al. Predictions of  binary sorption isotherms for the sorption of heavy metals by pine bark using single isotherm data[J]. ChemospHere，2000，41 （5）：659～665.

[6]杨军，张玉龙，杨丹，等. 稻秸对pb2+的吸附特性[J]. 环境科学研究，2012，25（7）：817～818.

[7]林芳芳，易筱筠，党志，等. 改性花生壳对水中Cd2+和Pb2+的吸附研究[J].农业环境科学学报，2011，30（7）：1406.endprint