高锰酸钾改性汉麻对重金属离子镉的吸附性能研究

范丽君 陈思思 周岚 冯新星 陈建勇

摘 要：以高锰酸钾改性汉麻作为吸附剂，通过测定镉溶液的pH值、改性汉麻吸附时间、Cd2+初始质量浓度研究高锰酸钾改性汉麻对重金属离子Cd2+的吸附性能，并通过傅里叶红外光谱仪（FTIR）和模型拟合分析，探讨汉麻纤维对Cd2+的吸附特性与吸附机理。结果表明：汉麻经高锰酸钾改性能有效提高对Cd2+的吸附性能，且在溶液酸性条件下（pH5.5），溶液初始质量濃度为0.08 mg/L，吸附时间为30 min时，高锰酸钾改性汉麻纤维对Cd2+的吸附效果最佳；吸附过程符合Langmuir等温模型。

关键词：改性汉麻；重金属离子；吸附性能；等温模型

中图分类号：X131

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2017）03-0037-04

Adsorption Capacity of China-Hemp Modified by Potassium

Permanganate on Heavy Metal Cadmium Ions

FAN Lijun1a， CHEN Sisi1a， ZHOU Lan1b， FENG Xinxing2， CHEN Jianyong1a

（1a.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry of education；

1b.Engineering Research Center for Eco-Dyeing and Finishing of Textiles，Ministry of Education

Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018，China； 2.The Quartermaster Research

institute of the General Logistics Department of the CPLA， Beijing 100010， China）

Abstract：China-hemp modified by potassium permanganate was used as the adsorbent. The adsorption property of China-hemp modified by potassium permanganate on heavy metal Cd2+ions was investigated through measuring the pH of cadmium solution， the adsorption time of modified China-hemp and the initial Cd2+ concentration. Besides， FTIR and model fitting analysis were applied to discuss adsorption property and adsorption mechanism of China-hemp on Cd2+. The result indicates that China-hemp modified by potassium permanganate can enhance adsorption capacity for Cd2+ effectively. In addition， the optimal absorption conditions are as follows： pH 5.5， initial mass concentration of solution 0.08 g/L， adsorption time 30min. Moreover， the adsorption process is in accordance with Langmuir isotherm model.

Key words：modified China-hemp； heavy metal ion； adsorption capacity； isotherm model

随着工业的发展和城市化进程的加快，废水大量排放导致水源中重金属离子积累加剧，有效去除废水中的重金属迫在眉睫。重金属离子Cd2+是对水质产生污染的主要重金属离子之一，对其处理方法主要有电解法、化学沉淀法和吸附法等[1]。相比其他方法，吸附法成本低、吸附效率高，通过吸附剂的高比表面积及其特殊的内部结构对Cd2+进行物理化学吸附，尤其适用于去除低质量浓度重金属离子[2]。

近年来，经过改性处理的纤维素作为吸附剂被广泛应用于重金属离子的去除，如茶叶、甘蔗、秸秆、花生壳等。从化学组成来看，汉麻纤维中含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素等，含有羰基、酚羟基、脂肪族羟基和羧基等功能基团，其本身就具有一定的吸附重金属能力。因此，本文将以高锰酸钾改性汉麻作为吸附剂对溶液中的Cd2+进行吸附试验，分别考察溶液初始pH值、吸附时间、Cd2+初始质量浓度对吸附容量的影响，探讨其吸附等温模型。

1 材料与方法

1.1 吸附剂的制备

汉麻由解放军总后勤处军需装备研究所提供，将汉麻烘干至恒重，粉碎，置于干燥环境中备用。

将汉麻纤维与一定浓度（0.1 M）的高锰酸钾溶液混合，在室温下搅拌一定时间（1 h）后过滤，并用去离子水反复洗涤至中性，将过滤取出的高锰酸钾改性汉麻纤维放入烘箱中烘干备用。

1.2 吸附试验

取一定量的改性汉麻，放入装有稀释到一定浓度、体积为200 mL镉溶液的烧杯中，在室温状态下进行动态吸附处理。吸附后过滤并取滤液，对滤液中残留的镉离子质量浓度进行测定，吸附容量（Q）的计算公式：

Q=（co-ce）Vm

式中：co表示Cd2+的初始质量浓度，mg/L；ce表示Cd2+的平衡质量浓度，mg/L；V表示吸附时所用的Cd2+溶液的体积，L；m表示汉麻的投放量，g。

2 结果与讨论

2.1 傅里叶红外光谱（FTIR）分析

汉麻纤维经高锰酸钾改性前、后的红外光谱图如图1所示。其中，3 380 cm-1處的宽峰显示了—OH基团的伸缩振动峰，2 900 cm-1处峰则是由C—H的对称与非对称的拉伸振动引起的吸收峰，600 cm-1的宽峰归属于基团—OH的平面弯曲振动，C—O和C—O—C的伸缩振动引起的1 060 cm-1处的强吸收峰，以及由C—O反对称伸缩振动引起的1 160 cm-1处的峰和—CH2的弯曲振动引起的1 428 cm-1的峰，这些峰均为纤维素特征官能团的吸收峰，说明汉麻纤维的基本结构在经过高锰酸钾的处理后未发生明显变化。但在高锰酸钾改性汉麻纤维的谱图图1（b）的525 cm-1处出现了Mn—O基团所引起的强吸收峰，相关研究也表明该特征峰为MnO2的特征峰[3]，这证明经高锰酸钾改性后的汉麻纤维表面生成了二氧化锰等氧化物，使得纤维表面的含氧官能团数量增加，更加有利于其通过络合作用与水中的重金属离子相结合。

2.2 溶液pH值对吸附量的影响

图2显示了镉溶液初始pH值对改性汉麻吸附剂吸附性能的影响。由图2可知，随着溶液pH值的提高，改性汉麻对Cd2+的吸附量不断增加。当pH值从1.5变化到5.5时，高锰酸钾改性汉麻纤维对Cd2+的吸附容量缓慢增加，这表明Cd2+的吸附容量与溶液的pH值有关。溶液的pH值通过影响吸附剂的表面电荷而影响其对重金属离子的吸附，汉麻纤维经过高锰酸钾处理后，纤维表面生成了二氧化锰，使纤维表面带负电荷，容易与正电荷离子发生定位吸附。孔令娟[4]研究表明，活性炭经高锰酸钾改性后，表面会生成二氧化锰，暴露出大量的吸附活性点，能够很好地吸附金属离子。在pH值较低的情况下，溶液呈酸性，其中存在大量的正电荷H+，它们与Cd2+共同竞争吸附剂表面的吸附点，由于静电排斥作用，使得吸附剂对Cd2+的吸附容量较低。随着pH值的增大，溶液中H+的浓度相对于Cd2+浓度逐渐降低，使得Cd2+可以更多的被吸附在吸附剂表面的吸附点上，使其吸附量增加。而pH值继续增加，吸附容量却增加缓慢，出现这种现象也可能是因为Cd2+在弱酸条件下生成了微量的氢氧化镉絮状沉淀物，从而降低了吸附剂的吸附容量。

2.3 吸附时间对吸附量的影响

图3为吸附时间对吸附剂吸附Cd2+吸附量的影响曲线图。由图3可知，高锰酸钾改性汉麻对Cd2+的吸附速率很快，30 min内吸附容量随吸附时间的增加而增大，当吸附时间达到30 min时，吸附容量达到最大值；继续延长吸附时间，吸附量曲线有轻微的向下波动，可能是由于动态吸附作用，吸附剂表面附着的Cd2+被振落，说明吸附时间对吸附性能的影响很大，它有助于确定最大吸附容量的速率。未改性汉麻的吸附速率虽然也比较快，但其吸附容量却远远低于改性汉麻纤维，这也表明汉麻经高锰酸钾改性之后对重金属离子Cd2+的吸附性能大大提高。

2.4 吸附等温模型的研究

图4为镉溶液初始质量浓度对吸附剂吸附Cd2+吸附量的影响曲线图。由图4可知，当溶液重金属离子的质量浓度小于0.08 g/L时，吸附剂吸附容量随Cd2+溶液初始质量浓度的增加而增加；当溶液质量浓度达到0.08 g/L时，吸附容量达到最大值；当溶液质量浓度大于0.08 g/L时，继续增加溶液重金属离子质量浓度，吸附容量几乎保持不变。这是因为吸附剂的吸附点是有限的，低质量浓度时，金属离子几乎能全部与高锰酸钾改性汉麻纤维吸附剂表面的吸附位点结合，当溶液初始质量浓度达到0.08 g/L时，吸附剂的吸附点几乎被金属离子充满，进一步增加溶液质量浓度，也没有多余的吸附点吸附金属离子。因此当溶液初始质量浓度为0.08 g/L，高锰酸钾改性汉麻对Cd2+的吸附性能最优。

吸附剂与吸附质之间的相互作用关系通常用吸附等温线来表征。吸附等温线阐明了当达到吸附平衡时，水溶液中的金属离子浓度与吸附在吸附剂表面的金属离子量之间的关系。从不同模型中得出的参数可以说明吸附剂的表面特性和与吸附质的亲和度等重要信息[5-6]。吸附等温线可以采用最常用的3个模型Nerst、Langmuir和Freundlich进行分析。3个模型的表达式为（1）、（2）、（3）。经由3种模型计算出的参数分别列于表1中。

Nerst吸附模型：

qe=k1ce（1）

Langmuir吸附模型：

ceqe=ceqm+1bqm（2）

Freundlich吸附模型：

lnqe=1nlnce+lnk（3）

式中：qe为镉离子平衡吸附容量，mg/g；qm为理论最大吸附容量，mg/mg；ce为吸附平衡时溶液中镉离子浓度，mg/L；k1为Nerst方程的常数；b为Langmuir方程吸附平衡常数，L/mg；k、n均为Freundlich方程的常数。

表1 吸附的等温模型参数

吸附等温模型k1qm/（mg·g-1）bk/（L·g-1）nR2

Nerst1.294 4----0.641 8

Langmuir-13.481.66--0.986 3

Freundlich---13.3362.6380.812 8

Langmuir模型主要指吸附剂的单层吸附和可以忽略吸附质分子之间的相互作用，并且吸附质以静电力固着在纤维中。Freundlich是假设吸附剂表面不均匀，进行的是多层吸附，并且吸附质以氢键和范德华力固着在纤维中。由表1可知，Langmuir模型的拟合系数R2最高，说明改性汉麻对重金属离子Cd2+的吸附符合Langmuir吸附等温模型[7]，也就表明该吸附过程是以表面均匀单分子层吸附为主，并且金属离子以离子键的形式固着于吸附剂上，且被吸附的金属离子之间相互影响小[8]。

3 结 语

经过高锰酸钾处理过的汉麻纤维，表面生成了二氧化锰，显著提高了对重金属离子Cd2+的吸附性能。在溶液酸性条件下（pH5.5），溶液初始质量浓度为0.08 g/L，吸附时间为30 min时，高锰酸钾改性汉麻纤维对Cd2+的吸附效果最佳。Cd2+在高锰酸钾改性汉麻纤维上的吸附符合Langmuir等温模型。

参考文献：

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