劉鄧超, 李長(zhǎng)波, 張洪林, 趙國(guó)崢, 邱 峰

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磁場(chǎng)中活性炭吸附重金屬離子的研究

劉鄧超, 李長(zhǎng)波, 張洪林, 趙國(guó)崢, 邱 峰

（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部， 遼寧 撫順 113001）

將磁化技術(shù)引入活性炭對(duì)重金屬離子的吸附中，考察了預(yù)磁和吸附過程中加磁對(duì)鐵離子、鎳離子和銅離子活性炭吸附容量的影響。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過磁化處理的活性炭對(duì)鐵離子和鎳離子的吸附容量下降，對(duì)銅離子的吸附容量增加。預(yù)磁的效果比吸附過程中加磁的效果要強(qiáng)，且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，活性炭對(duì)重金屬離子的吸附容量變化越大。

磁化技術(shù)；活性炭；吸附；重金屬離子

工業(yè)生產(chǎn)所排放的重金屬離子進(jìn)入水體后,雖然一般只表現(xiàn)微量濃度,但因其難于被微生物降解,并通過生物富集作用不斷積累,容易對(duì)環(huán)境及人類健康造成巨大且持久的損害,現(xiàn)在已經(jīng)成為世界污水治理研究的重點(diǎn)[1,2]。但是,采用傳統(tǒng)的離子交換、化學(xué)沉淀等傳統(tǒng)方法對(duì)重金屬離子的去除效果不佳,甚至有可能產(chǎn)生二次污染[3]。

上世紀(jì)80年代,我國(guó)開始了磁化技術(shù)在水污染處理方面的應(yīng)用研究。磁化技術(shù)具有無毒無污染,應(yīng)用方便、投資少、容易屏蔽等優(yōu)點(diǎn)。磁化技術(shù)對(duì)水的表面張力[4]、結(jié)構(gòu)[5]和粘度[6]都有影響,并能有效提高COD去除率[7]。而在實(shí)際應(yīng)用中,磁化技術(shù)較多的與其他技術(shù)相結(jié)合,通過共同作用以達(dá)到對(duì)污水的處理目的[8,9]。這其中，將磁化技術(shù)與活性炭吸附結(jié)合起來的方式受到了人們的關(guān)注[10-13]，但較多的將目標(biāo)物質(zhì)設(shè)定為有機(jī)物，而較少考慮結(jié)合磁化技術(shù)與活性炭吸附來去除重金屬離子。本文考察了磁化技術(shù)對(duì)銅、鎳、鐵三種重金屬離子的活性炭吸附能力的影響，為磁化技術(shù)在重金屬離子吸附處理的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

五水硫酸銅（分析純，沈陽市試劑三廠），七水硫酸鎳（分析純，沈陽市試劑一廠），硫酸鐵（分析純，沈陽市試劑一廠），活性炭（河南新鄉(xiāng)活性炭廠）等。

六聯(lián)磁力加熱攪拌器（鄭州儀器廠），電光分析天平（上海天平廠），六聯(lián)多用攪拌器（中外合資深圳天南海北有限公司），CT5特斯拉計(jì)（上海第四電表廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）吸附劑預(yù)處理：蒸餾水清洗活性炭，烘干，密封備用。

（2）磁場(chǎng)的建立：建立磁場(chǎng)強(qiáng)度為16 mT的較低磁場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度為50 mT的較強(qiáng)磁場(chǎng)。

（3）吸附時(shí)間的測(cè)定：將一定量的活性炭加入一定初始濃度的溶液中，在無外加磁場(chǎng)條件下振蕩，測(cè)定溶液濃度隨時(shí)間的變化，以確定實(shí)驗(yàn)中最大濃度溶液的吸附飽和時(shí)間。

（4）吸附前施加較弱磁場(chǎng)對(duì)活性炭吸附性能的影響：將一定量的活性炭投入不同濃度金屬離子溶液中，在場(chǎng)強(qiáng)為16 mT的磁場(chǎng)作用下靜置12 h，同時(shí)在無磁條件下做對(duì)比樣靜置12 h。經(jīng)3 h振蕩后取濾液測(cè)定溶液中剩余金屬離子濃度，以觀察較弱磁場(chǎng)對(duì)活性炭吸附能力的影響。

（5）吸附前施加較強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)活性炭吸附性能的影響：步驟與（3）基本相同，僅將磁場(chǎng)強(qiáng)度改為50 mT，以觀察較強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)活性炭吸附能力的影響。

（6）吸附過程中加磁對(duì)活性炭吸附性能的影響：將一定量的活性炭投入不同濃度金屬離子溶液中，施加場(chǎng)強(qiáng)為50 mT的磁場(chǎng)，用六聯(lián)攪拌器攪拌3h，并分別做對(duì)比樣。取濾液測(cè)定溶液中剩余金屬離子濃度，以觀察吸附過程中加磁對(duì)活性炭吸附性能的影響。

以上實(shí)驗(yàn)均在15 ℃左右溫度下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附時(shí)間的確定

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，3種金屬離子的吸附平衡時(shí)間如表1所示。

表1 三種金屬離子的吸附平衡時(shí)間

2.2 吸附前施加較弱磁場(chǎng)對(duì)活性炭吸附性能影響

15 ℃、16 mT場(chǎng)強(qiáng)下活性炭對(duì)三種金屬離子吸附容量的變化如圖1、圖2和圖3所示。

由圖1-3可知，預(yù)磁處理對(duì)于鐵離子和銅離子的活性炭吸附容量的影響非常小。當(dāng)鎳離子濃度低于80 mg/L時(shí)，經(jīng)預(yù)磁處理會(huì)降低活性炭對(duì)鎳離子的吸附容量。

圖1 預(yù)磁對(duì)鐵離子活性炭吸附容量的影響(16 mT)

圖2 預(yù)磁對(duì)鎳離子活性炭吸附容量的影響(16 mT)

圖3 預(yù)磁對(duì)銅離子活性炭吸附容量的影響(16 mT)

2.3 吸附前施加較強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)活性炭吸附性能影響

15 ℃、50 mT場(chǎng)強(qiáng)下活性炭對(duì)3種金屬離子吸附容量的變化規(guī)律如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 預(yù)磁對(duì)鐵離子活性炭吸附容量的影響(50 mT)

由圖6可知，對(duì)于鐵離子溶液和濃度低于80 mg/L的鎳離子溶液，預(yù)磁處理后會(huì)降低其活性炭吸附容量。而對(duì)于銅離子溶液，經(jīng)預(yù)磁處理后可增大其活性炭吸附容量。

2.4 吸附過程中加磁對(duì)活性炭吸附容量的影響

15 ℃、50 mT場(chǎng)強(qiáng)、攪拌下活性炭對(duì)3種離子吸附容量的變化規(guī)律如圖7、圖8和圖9所示。

圖5 預(yù)磁對(duì)鎳離子活性炭吸附容量的影響(50 mT)

圖6 預(yù)磁對(duì)銅離子活性炭吸附容量的影響(50mT)

圖7 加磁對(duì)鐵離子活性炭吸附容量的影響

Fig.7 Absorption isotherms of Fe3+with and without magnetic field

圖8 加磁對(duì)鎳離子活性炭吸附容量的影響

由圖9可知，吸附過程中加磁對(duì)三種離子活性炭吸附容量的影響趨勢(shì)與較強(qiáng)磁場(chǎng)預(yù)磁的影響趨勢(shì)基本相同，但同時(shí)在影響程度上略有不同。在吸附過程中加磁，活性炭對(duì)鐵離子和鎳離子的吸附容量減小程度略低于預(yù)磁處理，而對(duì)銅離子吸附容量的增加程度略低于預(yù)磁處理,即攪拌削弱了磁化處理對(duì)金屬離子活性炭吸附容量的影響。

圖9 加磁對(duì)銅離子活性炭吸附容量的影響

2.5 機(jī)理討論

總結(jié)以上實(shí)驗(yàn)，磁化作用對(duì)銅離子的活性炭吸附容量有促進(jìn)作用，而對(duì)鐵離子和鎳離子的活性炭吸附容量有抑制作用。從磁性角度考慮，硫酸鐵、硫酸鎳為鐵磁性物質(zhì)，硫酸銅為順磁性物質(zhì)，在外加磁場(chǎng)的作用下，不同的磁性可能導(dǎo)致了活性炭吸附容量的不同變化。

在一定磁場(chǎng)作用下，水原子的結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，使溶液中較小的締合水分子或單個(gè)水分子的數(shù)量增多；而單個(gè)水分子的性質(zhì)十分活潑，能夠充分顯露它的偶極子特性，從而增強(qiáng)水的極性。實(shí)驗(yàn)所使用的活性炭的表面氧化物質(zhì)以酸性氧化物為主，表現(xiàn)出較強(qiáng)的極性，從而對(duì)在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出極性的水分子表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附能力。一種較為可能的推斷是：極性較強(qiáng)的水分子擠占了活性炭對(duì)鐵離子和鎳離子的吸附空間，從而降低了活性炭對(duì)鐵離子和鎳離子的吸附容量。

金屬離子溶液在有外加磁場(chǎng)的情況下，體系內(nèi)粒子收到洛倫茲力的作用作回旋式運(yùn)動(dòng)。正負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)方向相反，這就增加了金屬離子碰撞成團(tuán)的可能，進(jìn)而改變活性炭對(duì)金屬離子的吸附容量。而在攪拌的同時(shí)施加磁場(chǎng)時(shí)，對(duì)溶液的攪拌產(chǎn)生的液體流動(dòng)擾亂了洛倫茲力對(duì)金屬離子的影響，從而表現(xiàn)出預(yù)磁與吸附過程中加磁對(duì)活性炭吸附容量的不同影響。

3 結(jié)論

（1）加磁對(duì)于銅、鐵和鎳離子在活性炭上的吸附容量的影響是不同。加磁能夠增加活性炭對(duì)銅離子的吸附容量，降低活性炭對(duì)鐵離子、鎳離子的吸附容量。

（2）預(yù)磁對(duì)活性炭金屬離子吸附容量的影響強(qiáng)于吸附過程中加磁，可能是由于攪拌產(chǎn)生的力對(duì)洛倫茲力的抵消。

（3）隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，磁場(chǎng)對(duì)活性炭金屬離子吸附容量變化的影響越明顯。

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Absorption of Heavy Metal Ions on Activated Carbon in Magnetic Field

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(College of Chemistry,Chemical Engineering and Environmental Engineering,Liaoning Shihua University,Liaoning Fushun 113001, China)

The absorption of Fe3+, Ni2+and Cu2+on activated carbon in magnetic field was investigated. Effect of premagnetization and magnetizing in the absorption process on adsorption capacity of activated carbon for Fe3+, Ni2+and Cu2+was analyzed. The results show that adsorption capacity of magnetized activated carbon for Fe3+and Ni2+decrease, but its absorption capacity for Cu2+increases; meanwhile, effect of the premagnetization is stronger than magnetizing in the absorption process. The stronger the magnetic field intensity, the greater the absorption capacity change of activated carbon.

Magnetic field; Activated carbon; Absorption; Heavy metal ions

TQ 031

A

1671-0460（2014）06-0893-03

國(guó)家科技重大水專項(xiàng)（No.2012ZX07202-002）

2013-12-08

劉鄧超（1985-），男，寧夏銀川人，在讀碩士生，研究方向：水污染處理，環(huán)境催化。E-mail：ldcxfp@126.com。

李長(zhǎng)波（1982-），男，講師，博士，研究方向：水污染處理，清潔生產(chǎn)等。E-mail：lnpulcb@126.com。