生物炭吸附剂对重金属离子的吸附研究

杨力

（西安航天城第一小学，陕西 西安710100）

1 引 言

自然界中的重金属大多数是以单质或化合物形式存在于地球上，因此是不会对自然的生态环境以及人类的生活产生太大的威胁[1-3]。但是这些年，由于社会的发展需要，对金属矿物的开采量持续增多以及现代工业的日益发展，化妆产品添加有增白作用的重金属汞，汽车尾气、印刷场所，甚至生活中的油漆涂料等等都含有重金属，这些对人的健康产生一系列的危害。此外，工业生产者缺乏环境保护的意识，工厂为了减少废物处理利用的资金等等造成大量的含汞、铜、铬等重金属离子的工业废水没有经过处理就直接排入江河水体之中，使得水源中重金属积累加剧，造成严重的影响。由此可见，重金属污染对我们生态环境系统及人类健康以及后代的健康都有着巨大的危害，如何有效地减小重金属离子对人类的危害是当今社会急需解决的问题[4]。近年来，环境保护领域也开始密切地关注着重金属污染及其除去方法研究。

工业废水处理中最常见的重金属移除有以下三大类：物理法去除、化学法去除以及生物法去除。传统的吸附剂有粘土、沸石、活性炭、二氧化硅等材料，这些吸附剂的吸附容量、吸附效率较低。因此，新兴吸附剂生物炭应运而生。生物炭是指含碳的有机物质在缺少氧气的条件下经过一段时间热解得到的一种含碳多孔结构的难溶的固体产物。传统的生物炭的制备方法是将农作物秸秆、稻草、稻壳等有机废物以及家禽的粪便、生活垃圾污泥等弃物作为制备原料，把弃物堆积后用泥土覆盖表面燃烧，堆积的物质材料燃烧生成的产物就是生物炭[6]。传统的生物炭具有良好的吸附性能，因为产物表面有着较多的含氧官能团可以进行离子交换应用于废水处理吸附重金属。虽然生物炭传统的制备方法简单，但是在空气中直接燃烧会放出有害气体造成空气污染。如今人们最常用的制备生物炭的方法慢速热解制备，此方法得到的生物炭产物的产率较高，吸附效果好。生物炭主要含有的是C、O、H 元素以及少量金属元素例如钙镁元素[5]。产物中元素的含量以及结构的稳定性会因为制备的原料、方法以及温度的不同而产生差异。温度越高，产生的生物炭的结构越稳定。生物炭的表面有含氧基团，因此有着比较好的亲水性以及良好的吸附效果。生物炭具有多孔结构，它的比表面积大并且有着良好的吸附效果及吸附后可以回收利用，循环利用实验验证产物的五次回收利用吸附量还可以达到90%以上。除了废水重金属的去除，生物炭还可以减小土壤中重金属的含量。由此看来，生物炭在农业、土壤、环境治理以及废水处理等方面有着一定的发展潜力。

可用于制备生物炭的生物质材料来源比较广泛，农业活动产生的有机废弃物如稻草、稻壳、粪便、生活垃圾以及污泥等弃物均可以作为制备生物炭的原料。有研究人员将生物炭与其他的物质材料、金属离子等等通过物理、化学方法进行修饰,制备出生物炭的复合材料，比如锰、氮等离子的掺杂[6]。而在制备生物炭上，调节制备的温度，加入不同比例的试剂活化生物炭，调整处理样品的时间其中的某一个任意条件的变化制备出来的生物炭都不相同。实验证明，经过掺杂制备出的生物炭产物结构上比表面积大，吸附效果更好。

2 实验部分

2.1 实验仪器与试剂

2.1.1 试剂

Cu(NO3)2·6H2O（天津永晟精细化工有限公司）；泡沫（商场废弃物泡沫箱）；无水乙醇、氢氧化钠、盐酸、氨水均购自北京化工厂。

2.1.2 仪器

天平，烧杯(50 mL,100 mL)，量筒，容量瓶，玻璃棒，移液管(25 mL)，洗耳球，抽滤瓶，抽滤装置（真空泵、布氏漏斗、滤纸），ICP 发射光谱仪ICPS-8100（岛津企业管理有限公司），85-2 恒温磁力搅拌仪（常州智博瑞仪器制造有限公司）等。

2.2 实验步骤

将泡沫洗净后干燥，使其完全燃烧，待生成物（呈黑色）冷却后取部分，放入研钵研磨至粉末状，待用。

2.2.1 探究p H 值对吸附效果的影响

首先配置溶液，取0.1 g 的Cu(NO3)2·6H2O 晶体加入50 mL 烧杯中，加入蒸馏水溶解后转移至100 mL容量瓶，配置成浓度为0.0034 mol/L 的Cu(NO3)2溶液，移液管分别移取25 mL 至锥形瓶中，并标号1、2、3、4、5、6；接着用1 mol/L 盐酸或者2 mol/L 氨水依次调节锥形瓶内溶液的pH 至1,3,4,5,7,9。最后称量0.1 g 的吸附剂，加入锥形瓶中，放入磁力搅拌子，常温下搅拌2 h 后将溶液取出进行抽滤，溶液保存在原标号瓶中用ICP 发射光谱仪测量Cu(NO3)2浓度。

2.2.2 探究温度对吸附效果的影响

本次温度设置四个区间，20℃～30℃；30℃～40℃；40℃～50℃；50℃～60℃。取四个锥形瓶，移液管分别移取已经配置好的0.0034 mol/L Cu (NO3)2溶液25 mL 入锥形瓶中，调节pH 为4，标号(A、B、C、D）并标好温度区间后，称量0.1 g 的吸附剂加入锥形瓶中，放入磁力搅拌子，对应标号的温度区间设定好恒温搅拌仪的最高温度，在磁力搅拌2 h 后将溶液取出进行抽滤，滤液保存待测量Cu(NO3)2浓度。

2.2.3 探究吸附剂的循环吸附效率

为探究影响该吸附剂的吸附效率，设计如下实验。

移液管移取已经配置好的0.0034 mol/L Cu(NO3)2溶液25 mL 转移到锥形瓶中，用天平称量0.1 g 的吸附剂加入锥形瓶中，加入磁力搅拌子后开始搅拌，两个小时以后取出溶液抽滤。抽滤完毕吸附剂和溶液分离后，样品溶液保存在原锥形瓶中待测量Cu(NO3)2浓度，固体吸附剂依次用无水乙醇、2 mol/L NaOH 以及2 mol/L 的HCl 润洗，润洗完毕后120℃下干燥1 d，待用。将处理好的吸附剂重复上述实验步骤，分别进行五次循环吸附实验。

3 结果与讨论

3.1 pH 值对吸附效果的影响

表1 pH 值对吸附效果的影响

表1 为pH 值对吸附效果的影响数据表。由表可以得知，本次吸附试验采用的0.1 g 的吸附剂去吸附0.0034 mol/L Cu(NO3)2溶液，开始调节pH 时，就会发现pH 为5 时溶液出现少量浑浊，因为生成蓝色Cu (OH)2沉淀，最后抽滤时可以发现pH 值越高的溶液沉淀生成的量越大[5]。控制吸附过程的酸碱度时，溶液的pH 值太高或者过低都会使吸附率降低，数据得出最佳的吸附效果pH 约为4。

3.2 温度对吸附效果的影响

表2 为温度对吸附效果的影响数据表。由表可知，在一定温度范围内调节，实验使用10℃为一个阶梯探究温度与吸附效果的关系。在此次的温度的设定中，温度也不能太高，因为搅拌时间比较长，温度过高水蒸发了的话就会使溶液的浓度增大，当然我们也可以加盖子防止水挥发，但是安全起见温度不宜太高，最后根据数据得出常温条件下吸附效果最佳[4]。

表2 温度对吸附效果的影响

3.3 探究吸附剂的循环吸附效果

表3 为吸附剂的循环吸附效果数据表。由表可知，随着循环次数的增多，吸附效率逐渐降低，第五次循环吸附后，吸附效率仍有89.2%，高于其他吸附材料[6]。

表3 吸附剂的循环吸附效果

4 结 论

重金属离子污染是环境污染的重要因素之一，对吸附剂的探索也是迫在眉睫。在众多的吸附剂中，探索更高效、更环保的吸附材料是研究者关注的重点。生物炭吸附剂，作为一类环保型新兴吸附剂，进入人们的视线中。本文介绍了生物炭吸附剂的制备方法和吸附特点，并研究了pH 和温度对吸附效果的影响，以及生物炭吸附剂对铜离子的循环吸附效率，为生物炭材料的进一步吸附研究提供条件。