活性炭对重金属污染土治理试验研究——以Cu离子为例

李 强

(张北运达风电有限公司，河北 张家口 075000)

0 引 言

我国经济的迅速发展带动了我国其他各行各业的繁荣进步，然而随之而来的各种环境问题也是日益严重，其中以土壤污染问题最为凸显[1-4].土壤本身作为自然环境中的开放系统，当人类活动产生的垃圾(例如生活废物、工业废水等)进入土壤环境之后，使得土壤环境的质量发生巨大变化，严重影响农副产品的质量[5-7].随着科技的进步，人类所产生的垃圾的分子结构愈来愈复杂，一些垃圾甚至具有超出人类所能想象的危害.在土壤污染中，以重金属污染最为广泛、严重，其直接原因为工厂排放的废水，使得土壤中重金属超标[8-10].土壤污染具有不易发现的特点，同时随着时间的累计，污染性会越来越严重.我国历史遗留的土污染问题较为严重，土壤污染所导致的年经济损失已达到2000万，特别在某些重工业地区，所导致的经济损失甚至更高.重金属污染不只是单一污染源所能导致的作用，各金属离子之间相互影响，可能产生更大的危害，但这对处理土壤污染的手段影响并不大，将单一金属离子进行处理，离子间相互影响的作用可大幅度消除.本文通过选取某地区重金属污染土进行活性炭去污试验来研究活性炭对重金属Cu离子污染土的治理情况.

1 污染性重金属概况

重金属的相对密度大于4.5 g·cm-3的金属具有严重的污染性，包括Cu、Cd等约45种金属都可导致城市环境的恶化、资源受到污染等多种时间性的问题，土壤中重金属污染源主要为人类不适当的活动，使得土壤中重金属含量远远超标.土壤中重金属超标的原因主要有工业废水、固体垃圾的堆放、大气沉降以及化肥、农药的不正当使用.使用重金属超标的工业污水进行农业灌溉时，不仅对农作物的产量造成重大危害，也对作物的质量产生重大的影响，甚至农作物不产.王显妍等[11]研究了不同污水浓度之下两种小麦品种的生长状况，研究发现随着污水中重金属浓度的升高，小麦叶片中的SOD活性因子呈现下降的趋势，可见重金属污染对农作物的影响危害之大.表1为采集土样中重金属污染类型以及污染程度.

表1 土壤中主要金属污染物以及其分类

土壤重金属污染具有危害性强、较难去除等特点，并且其影响时间长，潜伏期长.按上述表中分类情况对所选区域的土质进行测试，测试结果显示此地区土壤为重度污染土壤，采用改良活性炭对此地区污染土进行治理.

2 改良活性炭制备

活性炭在化学性质上稳定，并且可由广范围的材料制得，并且活性炭的吸附能力强，其吸附能力不止限制于物理吸附，其化学吸附作用也越来越受到广泛的关注，尤其在重金属污染土壤方面.活性炭的吸附能力取决于原材料的成分、灰度的含量、比表面积等特征有关，因此众多学者通过改变活性炭的几个特征来对其进行改良以提高活性炭的吸附能力.本文通过化学改性的方法改良活性炭的吸附能力.采用的化学试剂见表2所示：

表2 改良活性炭所选用化学试剂

图1 250 ml烧瓶

称取7.5 g试验原始活性炭分别放入0.01 mol/L化学试剂中，所放试验活性炭与溶液的固液比为1∶3，混合物放于250 ml圆底烧瓶中加热，沸腾之后静置7小时，将活性炭从混合物中分离出来，用化学试剂去除活性炭中的多余离子，放入干燥箱之中干燥12 h，并准备备用.

活性炭的组成成分在很大的程度上影响着活性炭的吸附能力，羟基作为活性炭中纤维分子中含量很多的成分，对重金属离子的吸附作用十分强大，但原活性炭中的组成成分对重金属离子的吸附作用并不大，因此，对活性炭进行改良，并对其成分进行了测定，测定结果见表3：

表3 改良活性炭性质对比

半纤维素是活性炭中主要吸附重金属离子的物质，通过0.05 mol/L的高锰酸钾溶液改性之后，其半纤维素的含量提升了0.19%.提升幅度较小，但可较大程度上提升原始活性炭的吸附能力.纤维素、木质素、挥发分、灰分含量的提升都有利于提升活性炭的吸附能力，灰分的降低是由于高锰酸钾与活性炭表面的物质发生了反应，从而降低了活性炭的灰分.

从表3中可以看出，当对原活性炭进行改良后，半纤维素的含量从原来的6.82%提升到了7.01%，纤维素的含量从1.85%提升到了2.35%，木质素从原活性炭的73.88%提升到改良活性炭的84.63%，挥发分也有了一定的提升，从57.40%提升到了66.76%，提升了10.75%，提升的程度较大，而唯一在活性炭成分中降低的为灰分，原活性炭的灰分为61.72%，而改良活性炭的灰分则降低到了30.85%，降低的幅度较大.

3 试验与结果分析

为了研究不同改性活性炭对Cu离子的吸附去污染作用，通过高锰酸钾、浓硝酸、氢氧化钠改性活性炭对其吸附作用进行测试，并通过更换不同的活性炭添加量，测试了不同添加量的活性炭对吸附作用的影响，测试结果如图2所示：

(1)KMno4浓度对Cu离子去除率的影响

(2)NaOH浓度对Cu离子去除率的影响

(3)HNO3浓度对Cu离子去除率的影响

从图2中可以看出，KMno4改良活性炭对Cu离子的去除率影响较大，随着KMno4改良活性炭的KMno4浓度的升高，改良活性炭的Cu离子去除率升高，当KMno4浓度为0.01mol/L，添加量为2%时，Cu离子的去除率为41.63%，而随着KMno4浓度的升高，当KMno4浓度达到0.05时，其去除率为82.63%，增长了41%，增长幅度比较大.当KMno4改良活性炭的添加量为4%时，数据整体偏于平缓，当KMno4浓度为0.01mol/L时，Cu离子的去除率为78.25%,而当KMno4浓度涨到0.05mol/L时，其Cu离子的去除率高达93.52%，但Cu离子的去除率仅仅增长了15.27%.当KMno4改良活性炭的添加量达到8%时，数据整体更加平稳，整体呈现增长趋势，但增长幅度仅有7.5%.同时，改良活性炭的添加量增加时，Cu离子浓度的消除率也在提升，当KMno4溶液浓度为0.01mol/L时，随着活性炭添加量从2%提升到8%，Cu离子浓度的消除率从41.63%提升到了89%，提升了47.37%，提升的程度较大.而随着KMno4浓度的增加，改良过的活性炭的消除Cu离子的能力随着添加量的提升同样增加，当KMno4浓度为0.03mol/L时，其消除率增长了48.24%，随着高锰酸钾浓度的提升，添加量对消除率的影响较小，数据趋近于平缓，整体仅增长了13.87%.

NaOH浓度对Cu离子的消除率影响也较大，尤其以添加量为2%、4%时，数据的整体趋势均较陡，NaOH浓度提升后的改良的活性炭在0.02mol/L、0.08mol/L的两点的提升较小，仅提升了3.24%、0.67%，但在NaOH浓度为0.05mol/L时，整体提升较大，提升了42.69%，提升较大.对于添加量为8%时，数据整体趋势趋于平缓，整体提升了16.1%.添加量的变化对Cu离子的消除率影响并无规律，但从数据整体来说，较高的添加量可提高整体的Cu离子消除率.

对于浓HNO3的改良活性炭，随着HNO3浓度的提升，Cu离子的消除率出现了峰值和最低值，当添加量为4%、8%时，其HNO3浓度在40%时达到了最大值，而当浓HNO3添加量在2%时，当浓度为40%时，Cu离子的消除率达到了最低值.而浓硝酸添加量的提升可明显提高Cu离子的消除率，但相比于高锰酸钾改良后的活性炭来说，高锰酸钾改良后的活性炭对Cu离子的消除率更高.相比于NaOH改良的活性炭，NaOH的浓度变化后的改良活性炭，曲线整体趋势更陡，且呈现增长的趋势.

4 结 论

本文通过研究不同的化学改良之后的活性炭对Cu离子浓度的消除率的影响，并得出了以下结论：

(1)化学试剂可改善原活性炭的特征，从而提高活性炭的吸附率.

(2)对于高锰酸钾改良的活性炭，提高活性炭的添加量能明显提高改良后活性炭的吸附率，在处理原活性炭时，提高高锰酸钾溶液的浓度同样可以提高改良后活性炭的吸附率.

(3)在用NaOH处理原活性炭时，提高NaOH的浓度可提升活性炭对Cu离子的吸附率，同时提高添加量，也能提高活性炭对离子的吸附率.

(4)浓HNO3对提升活性炭对Cu离子的吸附力影响较小，最高的Cu离子消除率仅有38.26%.