浒苔活性炭对重金属离子Cu2+的吸附性能研究

刘忠晓

(山东省荣成市环境保护局,山东 荣成 264300)

1 引言

水是生命赖以生存和发展的重要资源。然而，随着我国工业水平的不断提高，水污染事件也日益增多，严重威胁人们的用水安全[1]。其中，由于人类活动如采矿、工业排废等产生的重金属废水是对环境和人类危害最为严重的一种。

活性炭具有稳定、比表面积大而且环境友好的特点，因此可用来去除污染水体中的重金属离子。制备活性炭的材料有多种，近年来采用废弃生物质，如椰壳[2]、稻壳[3]、木屑[4]等，制备高性能活性炭成为热点。浒苔属于绿藻门石莼科，是一种大型海藻，近年来频繁在中国沿海大规模爆发引发严重的生态灾害。浒苔来源广泛、价格低廉，因此，本研究以浒苔制备活性炭并研究其对重金属离子Cu2+的吸附能力。对拓展活性炭的原料来源，探索浒苔在环境保护方面的高值化利用具有重要的借鉴意义。

2 实验部分

2.1 试剂

氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸铜、盐酸均购自国药集团化学试剂有限公司，所用试剂均为分析纯。

2.2 样品采集与处理

浒苔样品采自青岛第二海水浴场。浒苔去除杂质后以自来水洗净，烘干，粉碎过100目筛，即得浒苔原料。

2.3 浒苔活性炭的制备

以KOH为活化剂制备浒苔活性炭。将浒苔粉末炭化炉中，在氮气保护下，450 ℃炭化120 min。降至室温后取出炭化料，然后将炭化料与KOH粉末以1∶2(w/w)混合均匀。再将混合料置于炭化炉中，750 ℃活化60 min。然后，分别以稀盐酸(1M)和去离子水洗涤碳化物直至中性，干燥后即得浒苔活性炭。

2.4 吸附试验

2.4.1 吸附动力学试验

1 L容积的三角瓶中加入300 mL质量浓度为100 mg/L的Cu2+溶液，并将其置于恒温振荡器中，加入浒苔活性炭样品使其终浓度为500 mg/L。立即开始计时，并开始振荡，速度为120 rpm。按照预先设定时间间隔取样，直至剩余溶液达到稳定。取样后以0.45 μm滤膜对样品进行过滤，取上层清液测定其在450 nm下的吸光度，通过标准曲线计算浓度。浒苔活性炭对Cu2+的吸附量(q，mg/g)采用公式计算：

(1)

式(1)中，q为平衡吸附容量，mg/g；C0为初始浓度，mg/L；Ct为平衡浓度，mg/L；V为溶液体积，L；m为吸附剂质量，g。

2.4.2 影响因素试验

考察吸附温度、吸附剂用量、溶液pH值对浒苔活性炭吸附性能的影响。在250 mL三角瓶中加入100 mL浓度为100 mg/L的Cu2+溶液。在考察吸附温度影响时，将恒温振荡器的温度设定在20～60 ℃，然后加入浒苔活性炭启动吸附过程。考察吸附剂用量的影响时，按照1∶1～10∶1(w/w)加入浒苔活性炭。考察酸碱度的影响时，将溶液pH值用1M盐酸和1M氢氧化钠调节为2.0～8.0。将以上溶液体系置于恒温振荡器内振荡，速度为120 r/min。24 h充分吸附平衡后，取样利用普析T1810紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)，在波长450 nm下测定溶液中Cu2+质量浓度，按照2.4.1中的方法计算吸附量(q)。

3 结果与讨论

3.1 吸附动力学分析

浒苔活性炭对Cu2+吸附为动态过程。由图1可知，浒苔活性炭的吸附容量随时间延长而升高，在1.5 h内浒苔活性炭吸附容量迅速变化并趋于饱和。接近吸附平衡后继续增加吸附时间，浒苔活性炭的吸附容量变化不大。此外，由图1可知，浒苔活性炭的平衡吸附容量为24.5 mg/g。

图1 浒苔活性炭对Cu2+的吸附动力学曲线

3.2 影响浒苔活性炭吸附能力的因素

温度影响浒苔活性炭的吸附能力。由图2(a)可知，在20～50 ℃的温度范围内，浒苔活性炭对Cu2+的吸附能力虽温度升高而升高，并在35 ℃达到最大值，随后呈下降趋势。这是因为浒苔活性炭对Cu2+吸附主要是物理吸附，虽然温度升高有利于提高吸附能力但是也会导致解吸速度加快，进而导致吸附能力下降。浒苔吸附剂的用量影响浒苔活性炭的吸附容量。对固定浓度的铜离子溶液，活性炭用量越多，其吸附Cu2+的总量越大。但从经济和效率考虑，浒苔活性炭的用量并非越多越好。由图2b可知，提高活性炭与铜离子的质量比，浒苔活性炭的吸附能力成下降趋势。因此，在实际应用中应选择合适的吸附剂用量。溶液pH值的变化显著影响浒苔活性炭的吸附能力，在pH值在5.0～8.0范围内活性炭的吸附能力较强，其中在pH值为7.0最好(图2c)。

图2 影响浒苔活性炭吸附能力的影响因素

4 结论

利用浒苔制备的生物质活性炭，具备良好的吸附能力，实验条件下对Cu2+的平衡吸附量为24.5 mg/g。并且浒苔活性炭的吸附能力受吸附温度、吸附剂用量、溶液pH值等因素的影响。本研究对生态灾害资源浒苔的在环境保护方面的高值化利用可提供参考和借鉴。