碳纳米纤维去除废水重金属锌离子的研究

梁慈祥

(杭州市环境集团有限公司，浙江 杭州 310000)

近年来，重金属对水体和土壤等环境的污染越来越严重，这些重金属生物降解性差，一旦进入生态环境中，就会对水体和土壤等环境造成永久性污染，而且能够被水生生物富集或被植物吸收，最终通过食物链累积在人体内，对人类健康和生态环境造成了极大的危害。如日本的“水俣病”是由食用了含甲基汞的鱼引发，另外的“骨痛病”是由食用了含镉废水灌溉的“镉米”引发[1]。因此，有效去除废水中的重金属引起了世界科学家的高度重视，各国学者围绕重金属污染开发了一系列的治理技术，其中吸附法由于操作运行简单、处理效果好等优点，是重金属污染治理最常见的一种技术。在吸附法中，开发一类对重金属具有高效吸附能力的吸附剂，是其中至关重要的一步[2]。碳纳米纤维(carbon nanofibers，CNFs)具有强度高、密度低、较大的比表面积、孔径小、含氧功能团多和较好的吸附性能等特征，在重金属污染治理方面具有潜在的应用价值[3]。为此，本论文拟以锌离子(Zn(II))为废水中重金属代表，研究CNFs对Zn(II)的吸附动力学和等温线，考察pH和离子强度对吸附的影响，探讨CNFs在Zn(II)污染废水治理中的应用。

1 实 验

1.1 实验试剂

本实验中使用到的试剂如盐酸，氢氧化钠，硝酸钠，硝酸锌，氯化钠均为分析纯，用自动双重纯水蒸馏器产生的蒸馏水配置溶液。

1.2 实验仪器

实验中使用的部分仪器如下：可见分光光度计，上海仪器有限公司；pH计，上海雷磁仪器有限公司；分析天平，梅特勒-托利多仪器有限公司；扫描电子显微镜，日本日立公司；调速振荡器，江苏实验仪器厂。

1.3 吸附实验过程

碳纳米纤维吸附Zn(II)离子的实验过程大致如下，在一系列玻璃瓶中，分别加入一定量的碳纳米纤维、Zn(II)离子溶液、硝酸钠或氯化钠电解质溶液等，均与混合形成吸附悬浮液，使用微量注射器移取体积可以忽略不计的HCl或NaOH，用于调节吸附悬浮液的pH达到实验设定值。接着将悬浮液摇晃几下混合均匀，放在振荡器上振荡进行吸附实验，当Zn(II)在碳纳米纤维上的吸附达到平衡后，取出少量悬浮液放入离心管中并在离心机上离心分离，然后移取一定体积的上层离心液，用分光光度法测定离心液中Zn(II)的浓度。

2 结果和讨论

2.1 表征结果

图2 碳纳米纤维吸附锌离子的SEM-EDS表征图

图1显示了CNFs吸附Zn(II)前和吸附Zn(II)后的SEM图，及吸附Zn(II)前和吸附Zn(II)后的TEM图。从图中可以看出，吸附后的CNFs样品存在一些小颗粒，表明Zn(II)离子通过络合等方式吸附在CNFs上。另外无论吸附前后，CNFs的纤维状结构始终存在，表明Zn(II)吸附没有改变CNFs的结构。图2显示了碳纳米纤维吸附锌离子的SEM-EDS表征图，能谱中明显出来了Zn(II)离子的信号，再次充分说明Zn(II)离子吸附在CNFs上。

2.2 pH和离子强度对吸附的影响图

图3呈现了pH和离子强度对CNFs吸附Zn(II)的影响。随着体系pH从2.0上升到9.0，Zn(II)在CNFs上的吸附量从～20.0 mg/g逐渐增加到120.0 mg/g，然后pH从9.0上升到12.0，由于生成了氢氧化锌沉淀，Zn(II)的吸附量几乎保持不变。此外，在整个pH范围内，离子强度对Zn(II)的吸附量没有明显的影响，表明Zn(II)在CNFs上的吸附机理属于内层络合机理[1]。

图3 pH和离子强度对吸附的影响Fig.3 Effect of pH and ionic strength on adsorption

图4 吸附动力学Fig.4 Adsorption kinetics

2.3 吸附动力学

图4呈现了接触时间对CNFs吸附Zn(II)的影响。在不同pH条件下，随着接触时间延长，Zn(II)在CNFs上的吸附量上升，然后达到吸附平衡后，吸附量达到最大值。进一步使用准一级动力学模型、准二级动力学模型对吸附动力学进行了拟合，相应的动力学参数见表1。通过对拟合参数进行分析得到，CNFs吸附Zn(II)的实验数据可以用准二级动力学模型更好的拟合，拟合参数也表明Zn(II)在CNFs上的吸附在短时间内达到了平衡[4]。

表1 吸附动力学拟合参数Table 1 Fitting parameters of adsorption kinetics

图5 吸附等温线和热力学Fig.5 Adsorption isotherms and thermodynamics

2.4 吸附等温线

图5呈现了不同温度条件下初试浓度对CNFs吸附Zn(II)的影响。结果表明温度升高，Zn(II)在CNFs上的吸附量明显增大，表明CNFs吸附Zn(II)是一个吸热过程。此外随着Zn(II)初试浓度增大，Zn(II)在CNFs上的吸附量逐渐增大。CNFs吸附Zn(II)的等温线分别用Langmuir和Freundlich二种等温线模型进行拟合，相关的参数列于表2。通过分析拟合数据发现与Freundlich模型比较，Langmuir可以更好的拟合CNFs吸附Zn(II)的等温线[5]。

表2 吸附等温线拟合参数Table 2 Adsorption isotherm fitting parameters

3 结 论

本论文对碳纳米纤维对Zn(II)的吸附进行了探讨，根据实验结果可以得到下列结论：pH影响Zn(II)吸附，而离子强度基本不影响，表明Zn(II)在CNFs上的吸附机理属于内层络合机理。Zn(II)吸附没有改变CNFs的纤维状结构。Zn(II)在CNFs上吸附动力学可以用准二级动力学模型更好的拟合。CNFs吸附Zn(II)的等温线可以用Langmuir模型更好的拟合。