农林废弃物吸附剂对Cu2+的吸附性能研究

吕琳琳，罗维巍，刁全平，刘 畅

(1.鞍山师范学院 化学与生命科学学院,辽宁 鞍山 114007；2.鞍山市食品药品检验所，辽宁 鞍山 114001)

分析化学实验是一门应用性、实践性很强的学科，它对于学生获取新知识、实现知识和能力的转化、理论与实践的结合、加深理论知识的理解起着重要的作用[1-3],分析化学实验是我校化学(师范)专业、应用化学专业、食品科学与工程专业和生物技术专业学生必修的专业主干课，它的开设为培养和训练学生具有较强的科学实验能力和逻辑思维能力、分析问题和解决问题的能力、培养良好的科研素质奠定了基础.

吸附现象广泛存在于生产实践和科学研究中[4-6],它也是物理化学学科的重要研究内容.本文介绍一个集物理化学、分析化学为一体的综合性实验，以生物质材料为吸附剂，吸附水体中的Cu2+，研究其吸附条件，考察生物质吸附剂的吸附性能.

1 实验目的

(1)了解生物质吸附剂对水体中金属元素的吸附原理；(2)了解准一级吸附动力学模型、准二级吸附动力学模型及吸附热力学模型的适用范围，掌握这3种模型的拟合方法；(3)通过对吸附剂红外光谱谱图的解析，学习红外光谱谱图解析的基本方法；(4)学习红外光谱仪及火焰原子吸收分光光度计的基本原理及其使用方法.

2 材料与仪器

2.1 实验材料

生物质吸附剂为学生自选农林废弃物，如坚果壳、秸秆、树叶、果皮等.

氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)、无水硫酸铜(CuSO4).

2.2 实验仪器

AAnalyst 200原子吸收分光光度计(美国PerkinElmer)；Nicolet380傅立叶红外分光光度计(美国PerkinElmer)；THZ-92A型气浴恒温振荡器(上海博讯实业有限公司)；中药粉碎机；鼓风干燥箱；电子分析天平；离心机；酸度计.

3 实验步骤

3.1 生物质吸附剂的制备

将学生自选农林废弃物洗净，放入70 ℃鼓风干燥箱内烘干5 h，然后用中药粉碎机粉碎，过80目筛，得到生物质吸附剂.

3.2 吸附剂结构表征

取适量干燥后的KBr粉末及吸附剂置于玛瑙研钵中，研磨成均匀粉末，转移至压片磨具上，按照操作流程压制晶片.根据实验条件，将红外光谱仪按操作步骤调节至正常，并用KBr参比晶片绘制背底图谱.在相同实验条件下绘制生物吸附剂样品的红外吸收光谱.

3.3 吸附实验方法

准确称取0.1 g生物质吸附剂于100 mL锥形瓶中，加入20 mL一定浓度的Cu2+溶液，调节溶液pH值，密闭瓶口，在一定温度下振荡吸附一定时间，离心分离，取上清液，用火焰原子吸收分光光度计测定上清液中Cu2+浓度[7-8],并计算吸附量及吸附率.考察生物吸附剂对Cu2+的吸附性能.

3.4 吸附性能考察

3.4.1 酸度影响 在6只100 mL锥形瓶中分别加入0.1 g生物质吸附剂及20 mL浓度为100 mg/L的Cu2+溶液，用适当浓度的盐酸溶液和NaOH溶液分别调节溶液pH值至1.00，2.00，3.00，4.00，5.00，6.00，在30 ℃条件下振荡吸附120 min，离心分离，取上清液，用火焰原子吸收分光光度计测定上清液中Cu2+浓度.

3.4.2 振荡时间的影响 在10只100 mL锥形瓶中分别加入0.1 g生物质吸附剂及20 mL浓度为100 mg/L的Cu2+溶液，调节溶液pH值至上述最佳pH值，在30 ℃条件下分别振荡吸附0.5，1.0，5，10，30，60，90，120，180，240 min，离心分离，取上清液，用火焰原子吸收分光光度计测定上清液中Cu2+浓度.

3.4.3 吸附平衡研究 配制浓度为50，100，300，500，800，1 000 mg/L的Cu2+溶液，调节溶液pH值至上述最佳pH值，在30 ℃条件下振荡吸附120 min，离心分离，取上清液，用火焰原子吸收分光光度计测定上清液中Cu2+浓度.

3.4.4 吸附温度的影响 在4只100 mL锥形瓶中分别加入0.1 g生物质吸附剂及20 mL浓度为100 mg/L的Cu2+溶液，调节溶液pH值至上述最佳pH值，分别在30，40，50，60 ℃条件下振荡吸附120 min，离心分离，取上清液，用火焰原子吸收分光光度计测定上清液中Cu2+浓度.

4 数据及处理

注：上述式中，c0和ce分别表示吸附质的初始浓度和平衡浓度(mg/L)；m为吸附剂的质量(mg)；V为溶液体积(mL)；qe为平衡吸附量(mg/g)；qt为时间为t时的吸附量(mg/g)；kF与吸附能力有关的Freundlich常数(mg/L)；n是与吸附容量有关指数；k1(min-1)、k2(g/mg/min)为速率常数；R为气体常数(J/mol/K)；T为热力学温度(K)；k为热力学常数；ca为吸附平衡时吸附剂上Cu2+的浓度(mg/L).

5 思考题

(1)生物质吸附剂吸附Cu2+的吸附过程符合哪种动力学模型？为什么?

(2)生物质吸附剂吸附Cu2+的吸附过程符合哪种等温吸附模型？为什么?

(3)生物质吸附剂吸附Cu2+的吸附过程是放热过程还是吸热过程？为什么？

6 实验特点

生物质吸附剂对Cu2+的吸附性能实验将近几年环境污水处理方面研究的前沿热点与物理化学教学实验、分析化学教学实验紧密结合，通过本实验不仅使学生深刻理解吸附理论，而且掌握了分析化学中大型分析仪器的操作技能，并通过数据处理过程掌握使用先进数据处理软件的方法.