玉米芯-污泥基改性复合活性炭对 废水中Cd2+的吸附特性

易倡锐 汪彩文 孟杨

摘 要：本文以废弃物普通玉米芯和城市污泥为研究原料，通过碳酸钾改性、碳化方法，制备玉米芯-污泥基改性复合活性炭吸附剂。同时，探究了不同复配比例吸附剂受添加剂量、粒径、废水初始浓度等因素的影响程度，以优化复合吸附剂的复配比，并利用扫描电子显微镜（SEM/EDS）、傅里叶红外光谱等手段进行检测分析。研究表明，玉米芯与污泥的复配比为1∶3、粒径为0.83mm左右时，其对重金属镉的去除率最佳;改性复合吸附剂受废水初始浓度影响较大，当废水初始浓度为50mg/L时，吸附平衡效率降至90%。据此判断玉米芯-污泥基改性复合活性炭可适用于吸附低浓度重金属Cd2+废水，实现低浓度Cd2+的固化转移。

关键词：玉米芯-污泥基;活性炭;Cd2+;吸附机理

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）01-0136-03

Absorption of Cadmiumin Water by Modificated

Corncob-Sludge-Based Activated Carbon

YI Changrui1 WANG Caiwen1 MENG Yang2

（1. Water Science and Engineering， Hunan City University， Yiyang Hunan 413000;

2.Changsha Jiasha Industrial Corporation Limited，Changsha Hunan 410007）

Abstract： The corn cob-sludge composite modified activated carbon was prepared by waste ordinary corncobs and urban sludge with potassium carbonate modifying and carbonizing， to adsorb Cd2+ in waste water .Then the composite ratio of ACSC was optimized by Cd2+ removal efficiency through the influence degree such as quality， size， initial concentration of wastewater and adsorption time. Finally， the adsorption mechanism of ACSC for Cd2+ was explored by Scanning electronmicroscopy （ SEM and EDS ） and Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR）. The results showed that it was achieved of highest removal rate for Cd2+， while the ratio of corn cob-sludge to 1∶3， and the particle size was 0.83mm， simultaneously. However， it was influenced greatly by initial concentration wastewater， while the adsorption equilibrium efficiency was decreasing to 90% as the initial concentration wastewater was increased to 50mg/L. Hence， it was established to judging the ACSC used as adsorption of low concentration of Cd2+ wastewater.

Keywords： corn cob-sludge;activated carbon;Cd2+;adsorption mechanism

隨着皮革、电镀、电池等产业的蓬勃发展，重金属引起的水体污染问题也日益突出[1]。Cd具备很强的毒性，微量时即显现出很强的生化危害性[2，3]。因此，如何高效处理废水中的Cd（Ⅱ）已然成为环保领域亟待克服的问题[4]。

目前，处理重金属污染的方法有化学沉淀、溶剂萃取、膜处理、电解法以及吸附法等。吸附法因操作简单、成本低及二次污染少等优点被广泛应用，但其前提条件是合理选取吸附剂。活性炭作为比表面积大和孔隙发达的吸附材料，被广泛应用于各领域。与此同时，利用污泥来制备活性炭用于废水处理，实现了资源化。近年来，有众多学者阐述了污泥基活性炭的吸附性能，但少有以污泥与废弃物玉米芯混合物为原料开展重金属吸附研究的。因此，本文围绕污泥-玉米芯基活性炭对重金属Cd2+的吸附机理开展试验，用以实现含Cd2+废水中重金属含量的全量化转移及污泥、玉米芯资源化利用。

1 试验部分

1.1 改性玉米芯-污泥基活性炭的制备

取定量的污泥、玉米芯分别置于105℃和70℃干燥至恒重，然后将玉米芯破碎备用。将纯污泥与玉米芯依据不同的质量比（1∶4、1∶3、1∶2）进行复配后，浸泡于一定摩尔比的K2CO3溶液中24h，置于马弗炉中650℃灼烧2h。冷却后进行研磨、过筛，水洗至中性后进行干燥，即可得玉米芯-污泥基改性复合活性炭（ACSC）。

1.2 吸附试验

采用Cd（NO3）2溶液模拟废水，ACSC用作吸附剂。称取确定量的ACSC颗粒加入固定体积50mL、梯度质量浓度的Cd2+废水溶液中，置于25℃的锥形瓶中振荡吸附2h，以确保吸附至平衡状态。经过滤后，通过原子吸收仪测定溶液残余重金属浓度。

2 结果与讨论

2.1 ACSC表面形貌分析

图1（a）和（c）分别为ACSC吸附Cd2+前后的SEM图;图1（b）和（d）分别为ACSC吸附Cd2+前后的EDS图。由图1（a）可知，纯ACSC表面孔隙丰富，孔径尺寸约为1.5μm。而图1（c）中的表面存在亮白色吸附物质，初步推测其为被吸附的Cd2+物质。而在图1（d）的EDS能谱图中出现的Cd元素峰证实了上述推测。除此之外，ACSC吸附前后，EDS能谱图中的C/O比例降低，说明吸附过程中发生C=C键的断裂引入氧原子。可见，ACSC实现了对Cd2+的成功吸附。

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图1 ACSC吸附重金属Cd2+前后的SEM及EDS图谱[（a）和（c）为吸附前;（b）和（d）为吸附后]

2.2 ACSC吸附Cd2+的机理研究

ACSC吸附Cd2+前后的FTIR谱线如图2所示。活性炭主要由C，O及H元素组成，图2中3 421.06cm-1处的吸收峰归属于其表面缔合O—H、COOH和化学吸附水的的伸缩振动。该吸收峰吸附Cd2+后峰强有明显的降低，这意味着吸附后其表面的羟基和羧基发生大幅度断裂，说明其表面对Cd2+的成功吸附。而2 921.88cm-1和2 920.48cm-1处的吸收峰属于饱和-CH-，-CH2-和-CH3烷基中C-H的对称和反对称伸缩振动峰。原对应C=C键伸缩振动的1 532.30cm-1处吸收峰红移至1 418.74cm-1处（对应不对称与对称的COO-键的吸收峰），表明活性炭骨架中的C=C键键长发生断裂，据此推测ACSC对Cd2+的吸附是物理与化学共同作用的吸附方式。同时，1 037.28cm-1处对应CH2-O-CH2中的C-O伸缩振动的峰强大幅度增加，进一步验证了ACSC骨架中的C=C键断裂[5]。综上所述，由ACSC吸附前后的红外光谱数据可得出与其SEM和EDS图谱一致的结论。

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image2.tiff>[500    1 000      1 500     2 000     2 500    3 000    3 500    4 000][波长/cm-1][透过率][a-吸附前][b-吸附后]

图2 ACSC吸附前后的傅里叶红外光谱图

2.3 吸附剂量对废水中Cd2+吸附效率的影响

首先，将复配比为1∶4、1∶3、1∶2的ACSC吸附剂分别记为ACSC1、ACSC2、ACSC3。然后按1.2的试验方法，将之加至20mg/L的鎘模拟废水中振荡。

图3为ACSC1—3对Cd2+吸附效率的作用曲线图。由图3可知，吸附效率随添加量的增加逐渐增大，随后逐渐稳定;且当ACSC3样品添加量增至8g/L时，达到吸附平衡（99.89%）。由于吸附平衡前Cd2+能与ACSC表面含氧官能团催化，因此被其吸附至孔隙内[6];而同质量的ACSC3由于玉米芯基活性炭与污泥基相比密度较小，造成物质的量多，形成了吸附剂颗粒间的碰撞，阻碍其表面活性位点与Cd2+的接触，从而降低了对Cd2+的平衡吸附率。此后，均以0.4g作为吸附剂最佳添加量进行试验。

2.4 吸附剂粒径对废水中Cd2+吸附效率的影响

利用不同孔径的筛子制备所需粒径（1.7、1.4、0.83、0.38mm以及0.25mm）的吸附剂。依据吸附剂最佳用量进行吸附试验。

图4为吸附剂粒径对Cd2+吸附效率的作用曲线。从图4可知，吸附效率随着样品1—3粒径的增大呈现先上升后又下降的趋势。其中，粒径0.83mm的三种样品碳化的玉米芯对水中镉的去除率均在95%以上，粒径D>0.83mm以后，吸附率急剧降低。该现象归因于过度研磨造成ACSC孔隙结构的破坏，引发其孔隙率降低，进而降低了吸附效果。

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image3.tiff>[吸附剂质量/g][0.1                 0.2                  0.3                 0.4                  0.5][100

95

90

85][Cd吸附率/%][1：4ACSC][1：3ACSC][1：2ACSC]

图3 吸附剂量对Cd2+吸附效率的作用曲线

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image5.tiff>[0.25              0.38              0.83               1.4              1.7][吸附剂粒径/mm][100

95

90

85

80][Cd吸附率/%][1：4ACSC][1：3ACSC][1：2ACSC]

图4 吸附剂粒径对Cd2+吸附效率的作用曲线

2.5 初始浓度对废水中Cd2+吸附效率的影响

图5为0.4g ACSC对梯度浓度10mg/L的Cd2+废水溶液的吸附作用曲线。

由梯度浓度作用曲线可知：随着Cd2+废水初始浓度的增加，ACSC的吸附效果于20mg/L的状态下达到了饱和吸附。其吸附效率随初始浓度的增大呈降低趋势，50mg/L时，样品2效率降至90%。因此，ACSC受废水溶液初始浓度影响较大，适宜于吸附低浓度的废水溶液。

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image6.tiff>[10            20            30            40             50][初始濃度/mg·L-1][100

95

90

85

80

75][Cd吸附率/%][1：4ACSC][1：3ACSC][1：2ACSC]

图5 初始浓度对Cd2+吸附效率的作用曲线

3 结论

本次研究成功实现了废弃物与城市污泥的资源化，制备玉米芯-污泥基改性复合活性炭，并对二者的复配比、粒径及其吸附Cd2+的性能参数进行研究。研究表明，二者复配制备的活性炭对Cd2+的吸附为物理与化学吸附共同作用的结果。此外，当复配比为1∶3、粒径为0.83mm时，其对重金属隔的去除率最佳;且改性复合吸附剂受废水初始浓度影响较大。玉米芯-污泥基改性复合活性炭可适用于吸附低浓度重金属Cd2+废水，实现低浓度Cd2+的固化转移。

参考文献：

[1]Toplan S， Ozcelik D， Gulyasar T， et al. Trace elements[J].Med.Biol.， 2004（2）：179.

[2]王津，生威，王俊平，等.间接竞争酶联免疫法检测水样中的重金属镉[J].食品与机械，2012（3）：84.

[3]党卫红.镉的毒性及镉损害的营养干预[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2008（4）：10.

[4]熊星滢，浦生彦，马慧，等.水凝胶吸附法去除水中重金属离子研究综述[J].工业水处理，2016（5）：1.

[5]赵研，郎朗，姜彬慧，等.玉米芯基活性炭吸附去除水中重金属的实验及机理研究[J].东北大学学报（自然科学版），2018（3）：441-445.

[6]李娜，朱健，查庆芳.活性炭表面基团的定性和定量分析[J].高等学校化学学报，2014（3）：548.