铁/钛改性活性炭催化剂吸附污水中铅性能的研究

焦义湄，周海涛，姜 翠，张家鑫，贾佩龙，王 芳

（滨州学院化学化工学院，山东 滨州 256600）

环保与三废利用

铁/钛改性活性炭催化剂吸附污水中铅性能的研究

焦义湄，周海涛，姜 翠，张家鑫，贾佩龙，王 芳

（滨州学院化学化工学院，山东 滨州 256600）

采用浸渍法制备了铁﹑钛和铁/钛混合改性活性炭催化剂，并研究了改性前后活性炭吸附污水中铅的性能。结果表明，铁钛改性活性炭均能在一定程度上提高活性炭吸附铅的性能，其中铁钛混合改性的效果最好。对吸附温度﹑吸附时间﹑焙烧时间﹑焙烧温度﹑投加量﹑催化剂的负载比以及污水中铅的初始浓度﹑pH值对铁/钛混合改性活性炭催化剂吸附铅性能的影响进行了研究，结果表明，铅吸附效果最佳时的各因素值分别为：铅的初始浓度为20mg·L-1﹑吸附温度为20℃﹑吸附时间为25min﹑pH值为6。

活性炭；铁/钛；改性；铅

随着近几年来机械﹑铸造﹑电锻﹑农药﹑染料﹑印刷等相关行业的飞速发展，含铅废液的任意排放导致了严重的铅污染，已经危及到人类生命健康安全及日常生活环境，是目前环境治理不容忽视的一部分[1-2]。因此，有效地控制和降低污水中铅的含量，是现代污水处理技术中的一项重要的课题，价廉﹑环保﹑适用范围广﹑实用性强的除铅技术是当前废水除铅的研究重点。

铅废水处理技术方法很多，吸附法具有投资小﹑污染少﹑高效﹑快速的优点，是一种环境友好型处理含铅废水的方法。主要吸附剂有活性炭[3]﹑活化沸石[4]和分子筛[5-6]等，其中活性炭的表现优异，成为国内外用于吸附的主要研究对象。但是，活性炭直接应用于处理废水，吸附效果并不理想，易脱附，重复利用率低。为了提高活性炭的吸附能力和吸附容量，需要对其进行一定程度的改性。由于不同基团和结构对不同物质的吸附性能影响很大，因此，可以适当有效地调整活性炭的孔隙结构，采用一些手段对表面基团进行合理的改性，有利于提高活性炭吸附性能的高效性﹑特殊性﹑专一性。

1 实验部分

1.1 改性活性炭的制备

黑色粒状的活性炭用10%的硝酸活化24h，然后用蒸馏水冲洗至中性，在105℃真空干燥箱中干燥至恒重。分别称取适量已活化的活性炭3份，并向其中分别加入氯化铁溶液﹑四氯化钛溶液，以及两者等比混合加入。摇匀静置24h，再转移到烘箱中，在90℃下干燥12h，烘干后把样品转移到坩埚中并在马弗炉中300℃下焙烧3h，备用。

1.2 铅吸附性能测试

称取一定质量的改性活性炭和未改性的活性炭，取适量模拟含铅废液，调节pH，在摇床上吸附一定时间后，用滤纸过滤，待测。用TAS-986型原子吸收分光光度计在最大波长（283.3nm）处测试溶液的吸光度。由吸光度根据标准曲线计算出稀释后的浓度，求出吸附后的浓度。原溶液的铅浓度已知，用公式(1)计算铅的去除率W：

式中：W为铅去除率，%；C0为水样中原铅浓度，mg·L-1；C为吸附后剩余铅浓度，mg·L-1。

2 结果与讨论

2.1 不同活性炭吸附铅性能比较

铁/钛改性活性炭去除铅的效果比未改性的粉末活性炭提高了28.91%，铁改性活性炭比未改性的活性炭去除率提高了16.77%，钛改性活性炭比未改性的活性炭去除率提高了6.95%。铁/钛改性活性炭效果最好，其次是铁改性活性炭，再者是钛改性活性炭，最后是未改性活性炭。

2.2 铅初始浓度的影响

图1是铅初始浓度对铅吸附量的影响。由图1可见，当废水中铅浓度增大时，未改性的活性炭与改性活性炭的吸附容量都逐渐增大，当铅的初始浓度增加到30mg·L-1时，未改性的活性炭接近饱和吸附了，改性活性炭在铅浓度为50mg·L-1时才接近饱和吸附。改性后的活性炭从原来的饱和吸附量1.8173mg·g-1提升到3.206mg·g-1，吸附容量提升了76.42%，说明改性提高了活性炭对铅初始浓度的适应范围。

图1 铅初始浓度对铅吸附量的影响

2.3 吸附时间的影响

图2 吸附时间对铅去除率的影响

图2为吸附时间对铅去除率的影响。改性活性炭在吸附时间为25min时效果达到最好，未改性的活性炭在40min时达到最好效果，可见改性的活性炭要比未改性的活性炭要好。活性炭对铅的吸附可分为两个反应阶段：开始的快速阶段和随后的缓慢（动态平衡）阶段[7-8]。开始吸附时，活性炭表面与溶液中铅的浓度差最大，内部迁移动力大，但随着吸附的进行，浓度差减小动力减小，吸附位也变少，所以吸附过程变慢直至动态平衡，达到最大吸附，这就是随着吸附时间的增长最终吸附效果几乎不变的原因。

2.4 pH对铅去除效果的影响

pH值对铅去除效果的影响如图3所示。未改性活性炭溶液在pH为8～14时吸附率在85%左右，但在酸性条件下活性很差，改性活性炭溶液在pH为4～10时吸附效果最好在90%左右。这说明在pH为4～10之间改性活性炭的吸附效果好，主要与催化剂在此pH下的理化性质和铅在水中的存在形态有关系。改性后的活性炭主要以化学吸附为主，酸性条件适合铁/钛改性活性炭吸附水中的铅，未改性的活性炭在碱性条件下好，主要是因为未改性的活性炭主要依靠物理吸附，而且在碱性条件下活性炭纤维发生溶胀，在其表面形成比较大的溶胀区域，更有利于对废水中铅的吸附。

图3 pH值对铅去除率的影响

2.5 吸附温度的影响

图4为吸附温度对铅去除率的影响，无论活性炭催化剂是否改性，铅的去除率均随吸附温度的增加而减小。铁/钛改性活性炭的铅去除率比未改性的活性炭好，虽然都是减小的趋势，但温度对改性后的活性炭影响明显，对未改性的活性炭影响较小，是波动式减小。由图4可以得出，未改性的活性炭主要是物理吸附，改性后的活性炭以化学吸附为主物理吸附为辅，受温度影响较大，从20℃到80℃吸附率降低了31.76%。高温虽然提高了活性炭的吸附速率，但是它破坏了最关键的化学键，导致高温不利于铁/钛改性活性炭吸附铅，所以在高温条件下活性炭的吸附效果很差。

图4 吸附温度对铅去除率的影响

3 结论

采用浸渍法制备了铁改性活性炭﹑钛改性活性炭以及铁/钛复合改性活性炭催化剂，并测定了其在不同条件下的铅吸附性能。结果表明，铁/钛复合改性活性炭催化剂的铅去除效果最好。该改性活性炭在铅的初始浓度为20mg·L-1﹑吸附温度为20℃﹑吸附时间为25min﹑pH值为6﹑焙烧温度为300℃时，对铅的吸附效果最佳。

[1] Kurniawan T.A, Chan G.Y.S, Lo W.H, et al. Physicochemical treatment techniques for wastewater laden with heavy metals[J]. Chemical Engineering Journal, 2006, 118(1): 83-98.

[2] 栗帅，查会平，范忠雷.含铅废水处理技术研究现状及展望[J].化工进展，2011(s1)：336-339.

[3] 王芳.改性硅藻土对氨氮的吸附行为[J].应用化工，2015， 44(3)：478-481.

[4] 王芳.改性活性炭吸附污水中氨氮的性能[J].应用化工，2015，44(5)：874-877.

[5] 王芳.表面活性剂改性的4A分子筛对氨氮的吸附行为[J].应用化工，2015，44(6)：1045-1049.

[6] 王芳. 4A分子筛改性催化剂制备及其吸附氨氮的性能[J].应用化工，2015，44(2)：250-257.

[7] Qin F, Wen B, Shan X. Mechanisms of competitive adsorption of Pb, Cu, and Cd on peat [J]. Environ Pollut, 2006, 144: 669-680.

[8] Kula I, Ugurlu M, Karaoglu H. Adsorption of Cd (Ⅱ) ions from aqueous solutions using activated carbon prepared from olive stone by ZnCl2activation [J]. Bioresource Technology, 2008, 99: 492-501.

Study on Performance of Lead Adsorption from Sewage Water on Iron/ Titanium Modified Activated Carbon Catalyst

JIAO Yimei, ZHOU Haitao, JIANG Cui, ZHANG Jiaxin, JIA Peilong, WANG Fang
(College of Chemistry and Chemical Engineering, Binzhou University, Binzhou 256600, China)

A series of transition metal (Ti, Fe, Fe/Ti) modifed activated carbon catalysts were prepared by impregnation method, their adsorption performance of lead were measured in this paper. Results showed that the performance of modifed activated carbon could be enhanced in a certain extent by the mixing of iron and titanium, and the mixing of iron and titanium-activated carbon was the best modifed element. The effect of adsorption temperature, calcination time, adsorption time, pH of the solution, the dosage of modifed activated carbon catalyst, initial concentration of the lead, and the loading ratio of the mixing iron and titanium were investigate. The experimental results showed that the optimal value of various infuencing factors was summarized as followed: the loading ratio was 3%, calcination time was 3.0h, adsorption temperature was 20℃, adsorption time was 25min, the dosage of modifed activated carbon catalyst was 0.50g, pH value was 6, and calcination temperature was 300℃. The experimental results could provide some technical basis for the study of modifed active carbon catalyst adsorption of lead.

activated carbon; iron/ titanium; modifed; lead

X 703

A

1671-9905(2017)04-0039-03

山东省自然科学基金项目（ZR2014BL014）；山东省高等学校科技计划项目（J14LC54）；滨州市科学技术发展计划项目（2014ZC0212），国家级大学生创新训练计划项目（201610449035）；滨州学院基金项目（BZXYHZ20161010）

2017-02-23