李楠

(太原學(xué)院，山西 太原 030021)

一種磁性生物炭材料對(duì)水中Cu2+的吸附機(jī)理研究

李楠

(太原學(xué)院，山西 太原 030021)

制備了高錳酸鉀改性的生物炭吸附材料，并研究其對(duì)于重金屬離子Cu2+的吸附效果。掃描電鏡、X熒光光譜及X射線衍射分析結(jié)果表明，氧化錳顆粒存在生物炭的表面，從而增加了吸附效果。高錳酸鉀改性生物炭對(duì)銅離子的最大吸附量為97.38 mg/g，遠(yuǎn)大于普通生物炭的26.21 mg/g。為了使生物炭從水中分離，制備了磁性生物炭材料，其對(duì)銅離子的最大吸附量可達(dá)到96.25 mg/g，說(shuō)明磁化過(guò)程對(duì)吸附材料的吸附效果影響較小。

生物炭;KMnO4;Cu(Ⅱ);吸附量

引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，銅離子對(duì)水體的污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，過(guò)多的銅離子不僅會(huì)影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)，而且會(huì)對(duì)人體的健康產(chǎn)生一定的危害［1－3］。因此，越來(lái)越多的研究者關(guān)注如何能快速有效地去除水中的銅離子［4－6］。去除水中銅離子的常見(jiàn)方法包括，混凝、過(guò)濾、化學(xué)方法、吸附和膜處理方法等［7－11］。在這些方法中，吸附被認(rèn)為是一種最具前景的方法，因?yàn)榇朔椒▽?duì)有毒物質(zhì)不敏感，而且對(duì)污染物的去除率相對(duì)于其他方法較高。目前，很多材料被用來(lái)制備吸附劑，如工業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物等，并研究其對(duì)于重金屬離子(如銅離子等)的吸附效果。

本文研究高錳酸鉀改性廢棄玉米芯對(duì)水中銅離子的吸附能力和機(jī)理。為了使吸附后的生物炭易從水中分離，將此生物炭制成磁性材料，研究其對(duì)銅離子的吸附能力。

1 材料與方法

1.1 磁性生物炭吸附材料的制備

從超市收集一些玉米芯，用去離子水清洗干凈，并且烘干備用。然后，將烘干的玉米芯盡量弄碎成小顆粒，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下于400℃的馬弗爐中燒2 h。之后，用大量去離子水清洗生物炭。將高錳酸鉀和生物炭以質(zhì)量比1∶1的量加入到去離子水中，在100℃環(huán)境下攪拌24 h。將沉淀物用大量的去離子水清洗，并在烘箱烘干，便得到高錳酸鉀改性的生物炭材料。

磁性生物炭材料的制備方法:將1 g改性生物炭、1 g FeCl3·6H2O和0.75 g FeCl2·4H2O共同加入到去離子水中，用30%的NH3·H2O將混合液的pH值調(diào)整到9.0。將混合液在90℃和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下攪拌3 h。然后，用大量的去離子水清洗懸浮液，并且真空烘干，便得到磁性的生物炭吸附材料。

1.2 磁性生物炭吸附材料的表征

吸附劑的表面形態(tài)采用蔡司的掃描電鏡進(jìn)行分析;采用X射線熒光光譜檢測(cè)吸附劑表面的元素組成;X射線衍射采用X射線衍射儀進(jìn)行分析。

1.3 吸附動(dòng)力學(xué)和等溫線

吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方案:將0.05 g磁性生物炭加入含有100 mL、50 mg/L Cu2+的錐形瓶中進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，將錐形瓶放置在25℃的搖床中進(jìn)行反應(yīng)，在反應(yīng)的48 h之內(nèi)取錐形瓶中的溶液檢測(cè)Cu2+的含量。

吸附等溫線實(shí)驗(yàn)方案:將0.05 g磁性生物炭加入含有100 mL的Cu2+的錐形瓶中進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，Cu2+的質(zhì)量濃度從5 mg/L增加到500 mg/L，將錐形瓶放置在25℃的搖床中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)24 h后檢測(cè)Cu2+的含量。

1.4 影響因素研究

首先，將溶液的pH值分別調(diào)到2、3、4、5、6、7進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，吸附劑的量為0.5 g/L，研究pH值對(duì)磁性生物炭吸附銅離子的影響。然后，將吸附劑的量分別調(diào)到0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 g/L，pH值保持在6，研究磁性生物炭的量對(duì)銅離子吸附的影響。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，銅離子的質(zhì)量濃度一直維持在50 mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附劑的特性

圖1表示高錳酸鉀改性玉米芯吸附材料的SEM和EDS分析圖。從SEM圖可以看出，許多顆粒存在吸附劑的表面，這可能是氧化錳顆粒。正是這些氧化錳顆粒的存在增加了生物炭表面的吸附位點(diǎn)，從而使吸附材料的吸附能力增加。從EDS分析結(jié)果可以看出，C、O、K、Mn為高錳酸鉀改性玉米芯表面的主要元素，Mn元素的顯著的峰表明了高錳酸鉀成功地改性了玉米芯的表面。圖2表示高錳酸鉀改性玉米芯吸附材料的XRD分析結(jié)果。由圖2可以看出，在2θ=37.1°(103)和2θ=66.2°(002)處有2個(gè)顯著的峰，這2個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)的是SiO2和α－MnO2［11］。其中，SiO2為生物炭的組成成分之一;α－MnO2的存在表明了高錳酸鉀成功地改性了生物炭的表面，從而增加了生物炭對(duì)銅離子的吸附效果。

圖1 高錳酸鉀改性玉米芯的SEM圖和EDS分析

圖2 高錳酸鉀改性玉米芯的XRD分析

2.2 吸附動(dòng)力學(xué)和等溫線分析

單純的玉米芯生物炭、高錳酸鉀改性生物炭和磁性生物炭對(duì)銅離子的吸附動(dòng)力學(xué)一階和二階計(jì)算參數(shù)及擬合圖如表1和第28頁(yè)圖3～圖5。從結(jié)果來(lái)看，一階和二階動(dòng)力學(xué)模型對(duì)此吸附過(guò)程的擬合效果都較好。對(duì)于單純的玉米芯生物炭來(lái)說(shuō)，二階動(dòng)力學(xué)模型的擬合度更高;對(duì)于高錳酸鉀改性生物炭和磁性生物炭來(lái)說(shuō)，其對(duì)銅離子的吸附過(guò)程更符合一階動(dòng)力學(xué)模型。單純的玉米芯生物炭、高錳酸鉀改性生物炭和磁性生物炭對(duì)銅離子的吸附等溫線的langmuir和freundlich模型計(jì)算參數(shù)及擬合圖如表1和第28頁(yè)圖6～圖8。從結(jié)果來(lái)看，單純的玉米芯生物炭、高錳酸鉀改性生物炭和磁性生物炭對(duì)銅離子的吸附過(guò)程都更加符合langmuir模型，這說(shuō)明了單層吸附機(jī)理為此生物炭材料吸附銅離子的主要吸附機(jī)理。此外，從langmuir模型的擬合結(jié)果來(lái)看，單純的玉米芯生物炭對(duì)銅離子的最大吸附量為26.214 mg/g;而高錳酸鉀改性生物炭對(duì)銅離子的最大吸附量可以達(dá)到97.381 mg/g，這表明高錳酸鉀的改性使得玉米芯對(duì)銅離子的吸附量大大增加;磁性生物炭對(duì)銅離子的最大吸附量為96.248 mg/g，這說(shuō)明磁性化的過(guò)程并沒(méi)有顯著影響改性生物炭對(duì)銅離子的吸附效果。

表1 單純的玉米芯生物炭、高錳酸鉀改性生物炭和磁性生物炭對(duì)銅離子的吸附動(dòng)力學(xué)和等溫線參數(shù)①

圖3 玉米芯對(duì)銅的吸附動(dòng)力學(xué)

圖4 高錳酸鉀改性玉米芯對(duì)銅的吸附動(dòng)力學(xué)

圖5 磁性生物炭對(duì)銅的吸附動(dòng)力學(xué)

圖6 玉米芯對(duì)銅的吸附等溫線

圖7 高錳酸鉀改性生物炭對(duì)銅的吸附等溫線

2.3 影響因素研究

圖9表示pH值從2增加到7的過(guò)程中，單純的玉米芯、高錳酸鉀改性的玉米芯以及磁性生物炭材料對(duì)銅離子吸附效果的變化趨勢(shì)。從圖9可以看出，當(dāng)pH值從2增加到7時(shí)，單純的玉米芯對(duì)銅離子的去除率從3.02%增加到28.11%，高錳酸鉀改性的玉米芯對(duì)銅離子的去除率從29.12%增加到96.47%，磁性生物炭材料對(duì)銅離子的去除率從30.49%增加到98.12%。這一結(jié)果表明，隨著pH值的升高，磁性玉米芯對(duì)銅離子的吸附效果呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。原因可能是，pH值升高使得磁性生物炭表面發(fā)生去質(zhì)子化作用，從而增加了吸附材料對(duì)陽(yáng)離子銅離子的吸附能力。

圖8 磁性生物炭對(duì)銅的吸附等溫線

圖9 pH值的影響

圖10 吸附劑量的影響

圖10表示吸附劑的量從 0.1 g/L增加到0.9 g/L的過(guò)程中，單純的玉米芯、高錳酸鉀改性的玉米芯以及磁性生物炭材料對(duì)銅離子吸附效果的變化趨勢(shì)。由圖10可以看出，隨著吸附劑的量從0.1 g/L增加到0.9 g/L，單純的玉米芯對(duì)銅離子的吸附率從8.51%增加到45.03%，高錳酸鉀改性的玉米芯對(duì)銅離子的吸附率從45.87%增加到99.38%，磁性生物炭對(duì)銅離子的吸附率從38.98%增加到99.85%。這表明，吸附劑量的增加使得吸附劑表面的吸附位點(diǎn)增加，從而使其對(duì)銅離子的吸附率明顯增加。

3 結(jié)論

采用高錳酸鉀改性玉米芯生物炭，顯著地增加了玉米芯生物炭對(duì)銅離子的吸附效果，高錳酸鉀改性生物炭對(duì)銅離子的最大吸附量可以達(dá)到97.381 mg/g，遠(yuǎn)大于單純的玉米芯生物炭對(duì)銅離子的最大吸附量26.214 mg/g。為了使生物炭吸附材料能夠較容易地從水中分離出來(lái)，本文采用磁性化方法制備了具有磁性的生物炭吸附材料，其對(duì)銅離子的最大吸附量可以達(dá)到96.248 mg/g，這表明了磁性化過(guò)程并沒(méi)有顯著影響改性生物炭對(duì)銅離子的吸附能力。

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Adsorption mechanism of a magnetic biochar on Cu2+in water

LI Nan

(Taiyuan University，Taiyuan Shanxi 030021，China)

In this work，a kind of biochar derived from waste corncob was modified by KMnO4and used for effective Cu(Ⅱ)removal.The SEM，EDS，and XRD analysis demonstrated that manganese oxides particles loaded onto biochar enhanced the absorption ability.The maximum absorption capacity of Cu(Ⅱ)on the KMnO4modified biochar(MB)was 97.38 mg/g，which was greater than that of pure biochar 26.21 mg/g.In order to separate biochar from treated water，magnetic biochar(MMB)was prepared.The maximum removal capacity of Cu(Ⅱ)was 96.25 mg/g，meaning that magnetization process slightly affected Cu(Ⅱ)removal ability of MB.

biochar;KMnO4;Cu(Ⅱ);adsorption capacity

TQ424;O647.3

A

1004－7050(2016)06－0026－04

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.08

2016－10－12

李 楠，女，1986年出生，2012年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，碩士研究生，助教，從事污水處理研究。