块状花生壳吸附Cd(Ⅱ)和Pb (Ⅱ)的特性研究

雷 娟, 易筱筠,任晓莉

(1.太原工业学院 环境与安全工程系,山西 太原 030008; 2.华南理工大学 环境与能源学院,广东 广州 510006)

块状花生壳吸附Cd(Ⅱ)和Pb (Ⅱ)的特性研究

雷 娟1, 易筱筠2,任晓莉1

(1.太原工业学院 环境与安全工程系,山西 太原 030008; 2.华南理工大学 环境与能源学院,广东 广州 510006)

研究块状花生壳对Cd2+和Pb2+的吸附特性．考察吸附剂投加量、溶液初始pH、吸附时间和溶液初始浓度等对吸附的影响,在此基础上拟合分析吸附动力学和吸附等温线．结果表明:吸附36 h达到平衡,块状花生壳对Cd2+和Pb2+的吸附均符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线模型．在25 ℃,Cd2+和Pb2+的初始浓度为100 mg/L时,块状花生壳对二者的吸附量分别可达到10.47 mg/g和17.37 mg/g．

块状花生壳;Cd2+;Pb2+;吸附

近年来,随着工业的发展,水体重金属污染日益严重,对其治理技术的研究也成为热点被人们所关注．在反渗透、离子交换、化学沉淀法、膜处理等众多治理方法中[1],吸附法,尤其是以花生壳等各种农林废弃物为对象进行吸附研究的处理技术,因原材料廉价易得,且能制备出吸附性能良好的改性吸附剂,使得该方法的研究受到很多学者的青睐．然而很多研究都是围绕着对花生壳改性、提高其对重金属的吸附能力进行的,Zeid A. ALOthman·M. Naushad[2]研究了以花生壳为原料,用H3PO4活化制得的活性炭对Cr (VI)的吸附特性;Xu Tao[3]等研究了花生壳活性炭对Pb2+的吸附特性及机理;李山等[4]HNO3改性花生壳对Pb2+的吸附性能;吕慧峰等[5]研究了酸性甲醛改性对花生壳吸附重金属离子的影响．

在前期的研究中,本课题组制备出了对Cd2+和Pb2+表现出较好吸附性能的高锰酸钾改性花生壳,并对改性样品的吸附性能进行了系统研究[6],但由于一系列原因,对块状花生壳原样的相应研究并没有进行．在本文的研究中,将考察一些常见的影响因素对块状花生壳原样吸附水体中Cd2+和Pb2+的影响,在此基础上拟合分析相应的吸附动力学和等温线模型,对块状花生壳吸附重金属的特性进行系统研究,为以花生壳等农林废弃物为基质进行的重金属吸研究提供一定的理论依据．

1 材料和方法

1.1 材料准备及试剂

块状花生壳:先用自来水冲洗花生壳,去除其表面的灰尘和其他杂质,再用蒸馏水清洗数遍,在烘箱中烘干(温度设置在60 ℃左右),最后用剪刀剪成1 cm2左右的块状花生壳,密封保存备用．

实验中Cd2+和Pb2+的储备液分别由分析纯的氯化镉和硝酸铅粉末配制,其他药品如:NaOH，HCl，HNO3等也均为分析纯试剂．

1.2 吸附实验

称取适量的块状花生壳于三角瓶中,按对应的固液比加入一定量的适当浓度的Cd2+和Pb2+的溶液,用锡箔纸封住三角瓶,将其放入温度为25 ℃、转速为150 r·min-1的摇床中,36 h后(由预实验确定吸附平衡时间)取上清液,用原子吸收分光光度仪测定溶液中残留的重金属离子的量[6],每组均进行三个平行实验．pH用稀盐酸或氢氧化钠来调节．

块状花生壳对Cd2+和Pb2+的吸附效果用吸附容量qe来表示．按如下公式进行计算:

(1)

其中,qe(mg/g)是平衡时的吸附容量;C0(mg/L)是溶液中重金属离子的初始浓度;Ce(mg/L)是平衡时溶液中重金属离子的浓度;V(ml)是重金属离子溶液的体积;m(g)是块状花生壳的质量．

2 结果与讨论

2.1 吸附剂投加量对吸附的影响

图1(a)和1(b)分别展示了块状花生壳投加量的变化对其吸附Cd2+和Pb2+的影响,如两个图所示,增加块状花生壳投加量,其对Cd2+和Pb2+的去除率逐渐升高,单位吸附剂对Cd2+和Pb2+的吸附量却随着投加量的增加明显降低．综合考虑吸附效果和吸附剂利用率,选取对Cd2+和Pb2+的最佳吸附剂投加量为2g/L．

图1 吸附受花生壳投加量的影响:(a) Cd2+, (b) Pb2+

2.2 溶液初始pH对吸附的影响

图2给出的是不同溶液初始pH对Cd2+和Pb2+吸附的影响,可以看出,pH由2～7逐渐升高的过程中,块状花生壳对Cd2+吸附量不断升高,值由2～5逐渐升高的过程中吸附量增加很快,pH值5～7的条件下吸附量略有增加,变化不是十分明显;pH由2～3升高的过程中,块状花生壳对Pb2+吸附量明显升高,之后随着pH值由3～6的升高吸附量的增加趋势变缓,pH值由6～7的条件下,吸附量略有下降．

这可能是因为在pH值较低的条件下,溶液中存在较多的H+,会与Cd2+和Pb2+竞争吸附剂上的吸附位点．而随着pH值的升高,H+浓度相对Cd2+和Pb2+浓度降低,使得Cd2+和Pb2+可以占据更多的吸附位点,使其吸附量增加．正如相关研究表明,离子的吸附高度依赖该离子在溶液中的浓度,浓度越高,被吸附就越好,反之亦然[7]．

图2 吸附受溶液初始pH的影响:(a) Cd2+, (b) Pb2+

2.3 吸附时间对吸附的影响

由图3(a) Cd2+和(b) Pb2+可以看出,块状花生壳对Cd2+和Pb2+的吸附量随时间的变化趋势大体相同,前10 h中,吸附量随着时间的增长明显上升,10 h后吸附量随时间的增长上升趋势逐渐变缓,直到36 h吸附达到平衡,所以所有吸附实验的平衡时间均取36 h．

图3 吸附受吸附时间的影响:(a) Cd2+, (b) Pb2+

2.4 吸附动力学

在研究吸附受吸附时间影响的基础上,分别选用两种最常见的动力学模型(准一级动力学和准二级动力学模型)拟合分析相应数据,使得花生壳对Cd2+和Pb2+的吸附动力学特性得到了进一步研究．

准一级动力学的线性方程式可表示如下[8]:

(2)

其中,qt(mg/g)是在时间t时的吸附容量;qe(mg/g)是吸附达到平衡时的吸附容量;k1(1/min)是准一级动力学常数．

准二级动力学的线性方程式可表示如下[8]:

(3)

其中,qt(mg/g)是在时间t时的吸附容量;qe(mg/g)是吸附达到平衡时的吸附容量;k2(g·mg-1·min-1)是准二级动力学速率常数．

由图4的准二级动力学模型拟合图及表1的两种动力学模型拟合参数可知,与准一级动力学模型拟合结果相比,块状花生壳对Cd2+和Pb2+的吸附动力学根据准二级动力学模型计算得到的Qe值与实验实测值较为接近,且R2较高,表明块状花生壳吸附Cd2+和Pb2+到达平衡的过程更符合准二级动力学模型．

图4 准二级动力学模型拟合曲线:(a)Cd2+, (b)Pb2+

表1 2种吸附动力学模型的拟合参数

2.5 溶液初始浓度对吸附的影响

本实验研究了15 ℃,25 ℃和35 ℃三个条件下，块状花生壳吸附Cd2+和Pb2+受两种重金属离子初始浓度的影响,由图5(a) Cd2+和(b) Pb2+的实验结果可以看出,在一定的浓度范围内,初始离子浓度的增大,花生壳对Cd2+和Pb2+的吸附量随之增大,而初始浓度分别达到Cd2+100 mg/L和Pb2+75 mg/L后,随Cd2+和Pb2+初始浓度的增大,花生壳对两种重金属离子的吸附量出现下降趋势,该趋势在Pb2+的吸附过程中表现更为明显．

该现象说明花生壳对Cd2+和Pb2+的吸附机理可能存在静电吸附,出现这种趋势的原因可归结为:当Cd2+和Pb2+的浓度高达一定值时,重金属离子间的静电斥力增大,也可能是因为产生了较大的空间阻力所致[6]．为了方便后续机理研究,并使实验结果易于对比,实验过程统一取Cd2+和Pb2+的初始浓度为100 mg/L．

图5 溶液初始浓度对吸附的影响:(a) Cd2+, (b) Pb2+

2.6 吸附等温线

在研究吸附受重金属离子初始浓度影响的基础上,分别选用两种最常见的吸附等温线模型(Langmuir和Freundlich模型)拟合分析相应实验数据,研究了在15 ℃,25 ℃和35 ℃三个条件下,花生壳对Cd2+和Pb2+的吸附等温线特性．

Langmuir吸附等温线模型线性表达式为[9]:

(4)

其中:qe(mg·g-1)是平衡吸附容量;Ce(mg·L-1)是平衡浓度;Q(mg·g-1)是理论最大吸附容量;

b(L·mg-1)是Langmuir吸附系数(是与吸附能有关的常数)．

Freundlich吸附等温线模型其线性表达式为[10]:

(5)

其中:qe(mg·g-1)是平衡吸附容量;Ce(mg·L-1)是平衡浓度;kF表示块状花生壳的单位吸附能力;1/n是块状花生壳吸附强度的表示,1/n为 0.1～0.5时说明吸附容易进行;当 1/n>2 时表示吸附很难进行,n值越大吸附剂的吸附性能越好．

由图5(a1)～(b2)及表2的两种吸附等温线模型拟合参数可知, Langmuir模型拟合中计算出的吸附平衡容量与实验值更为接近,说明其对花生壳吸附Cd2+和Pb2+过程的拟合效果要比Freundlich模型更好,这表明单分子层吸附是花生壳对Cd2+和Pb2+吸附的主要表现,两种吸附过程为均匀的表面吸附,即花生壳表面的每个吸附位点仅与一个Cd2+或Pb2+离子反应,吸附在花生壳表面的重金属离子之间不存在相互影响[11]．且Cd2+吸附拟合在3个温度条件下的RL值均在0～1之间,表明花生壳对Cd2+的吸附为优惠吸附,即花生壳对Cd2+的吸附容量在重金属离子浓度较低时,保持在较高水平[10]．对于Cd2+和Pb2+在实验温度范围内1/n均在0～1之间,表明在实验条件下吸附比较容易进行[9]．

图6 吸附等温线及其模型拟合曲线:(a1)、(a2) Cd2+, (b1)、(b2) Pb2+

表2 2种吸附等温线模型的拟合参数

3 结论

1)在25 ℃，Cd2+和Pb2+的初始浓度为100 mg/L时,块状花生壳对二者的吸附量分别可达到10.47 mg/g和17.37 mg/g．

2)块状花生壳对Cd2+和Pb2+的吸附平衡时间为36 h,吸附达到平衡的过程更符合准二级动力学模型;吸附等温线与Langmuir吸附等温线模型较为吻合,表明单分子层吸附是花生壳对Cd2+和Pb2+吸附的主要方式,两种吸附过程为均匀的表面吸附,即花生壳表面的每个吸附位点仅与一个Cd2+或Pb2+离子反应,吸附在花生壳表面的重金属离子之间不存在相互影响．

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Studies on the Adsorption Characteristic of Cd (Ⅱ) and Pb (Ⅱ) on Blocky Peanut Shell

Lei Juan1, Yi Xiaoyun2, Ren Xiaoli1

(1.Department of Environmental and Safety Engineering, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008;2. School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Influence of adsorbent quantity,initial solution pH,adsorption time and the initial concentration of solution on adsorption were investigated to infer the adsorption characters of Cd2+and Pb2+on peanut shell. Furthermore, the adsorption kinetic and isothermal curve were fitted.The results indicated that the adsorption reached equilibrium after 36 h. The adsorption kinetic and isothermal datas of Cd2+and Pb2+both well fittedpseudo-second-order kinetic model and the Langmuir isotherm adsorption model respectively.When the initial concentration of adsorbate solution was about 100 mg/L,the adsorption capacity of the peanut shell to Cd2+and Pb2+were10.47mg/g and 17.37 mg/g under the condition at 25 ℃ respectively.

blocky peanut shell;Cd2+;Pb2+;adsorption

2014-11-27

国家自然科学基金面上项目(41073088); 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07211001).

雷 娟(1987-),女,硕士,太原工业学院助教,主要从事水体污染处理研究.

1672-2027(2015)01-0092-05

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