馬 得 旺， 王 大 鷙， 尹 宇 新， 張 紹 印

( 大連工業(yè)大學 輕工與化學工程學院, 遼寧 大連 116034 )

含雙酚酸聚芳醚砜對水中鉛離子的動態(tài)吸附

馬 得 旺， 王 大 鷙， 尹 宇 新， 張 紹 印

( 大連工業(yè)大學 輕工與化學工程學院, 遼寧 大連 116034 )

采用含雙酚酸聚芳醚砜吸附劑對水中鉛離子進行固定床吸附，探討了水中鉛離子初始質量濃度、 體積流量、初始pH和吸附劑質量對穿透曲線的影響。采用Yoon-Nelson模型和Thomas模型對動態(tài)實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合分析，研究了高分子聚合物吸附劑對水中鉛離子的動態(tài)吸附性能。吸附后的吸附劑用0.2 mol/L的鹽酸再生多次循環(huán)吸附使用。結果表明, 聚芳醚砜吸附劑能夠有效去除水中鉛離子，溶液體積流量和質量濃度對流出曲線有較大的影響，飽和吸附量隨著初始質量濃度的增大而增加，隨體積流量的增大而減小；穿透時間隨初始質量濃度和體積流量的增大均減小，不同條件下的線性相關系數(shù)在0.94～0.98，說明Yoon-Nelson模型和Thomas模型都可以描述傳統(tǒng)曲線，而且聚合物重生吸附容量變化不大，可以重復多次利用。

吸附劑；鉛離子；聚芳醚砜；動態(tài)吸附

0 引 言

處理污水中金屬離子的方法主要有化學沉淀法、活性炭吸附法、離子交換法、反滲透法、溶劑萃取、電化學方法、蒸發(fā)和膜過濾等[1]。這些方法大多都存在著效率不高、處理費用昂貴、易產(chǎn)生二次污染和對低濃度重金屬離子溶液處理效果差等缺點。吸附法去除水體中的離子已有廣泛研究和應用[2-7]。與活性炭吸附法、礦物質吸附法和其他物理化學方法采用的吸附劑相比，以聚芳醚砜吸附劑吸附的主要優(yōu)點在于能夠有效地將廢水中的重金屬離子降到非常低的濃度，且所用的材料易得。而且聚芳醚砜具有良好的穩(wěn)定性和機械性能、高選擇性、容易再生以及操作簡單。吸附劑吸附飽和后，采用鹽酸解析負載金屬離子的聚合物，解吸率高，且再生后該聚合物的吸附能力基本不變。本實驗研究了改性聚芳醚砜對重金屬離子的動態(tài)吸附行為，以期為工業(yè)污水和農(nóng)業(yè)重金屬污染處理的具體應用起一定的引導作用。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

材料：Pb(NO3)2·3H2O，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；NaOH、HCl，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；含羧酸鈉基的聚芳醚砜(PAES-C-Na)，實驗室合成。

主要儀器：FE20 pH計，梅特勒-托利多儀器上海有限公司；HG-9602火焰原子吸收分光光度計，沈陽華光精密儀器有限公司；蠕動泵。

1.2 動態(tài)吸附裝置

動態(tài)吸附實驗裝置如圖1所示。吸附柱是內(nèi)徑為5 cm、長約10 cm 的帶聚四氟乙烯活塞的玻璃柱，用含雙酚酸聚芳醚砜作吸附劑，蠕動泵流速按需要調控。金屬離子原液在蠕動泵的牽引下經(jīng)管2由入口4進入濾柱，吸附后由出口7流出，間隔一定時間在8處取樣，用HG-9602火焰原子吸收分光光度計測離子濃度。實驗結果用Yoon-Nelson 模型和Thomas模型進行分析。

圖1 動態(tài)吸附裝置圖

2 結果與討論

2.1 溶液體積流量對吸附的影響

由圖2可以看出，在相同濃度下，隨著鉛離子體積流量的不斷增大，穿透時間提前，含雙酚酸聚芳醚砜吸附材料達到飽和吸附所需要的時間逐漸變短，流出曲線上升部分的斜率有所增大。由于隨著體積流量的增大，溶液在吸附柱中停留時間變短，鉛離子沒有足夠的時間與吸附劑作用或擴散到吸附劑表面的空隙中。當體積流量較小時，溶液在吸附柱內(nèi)的停留時間長，有更多的時間與吸附劑接觸而容易被吸附，對鉛離子就會有較高的去除率，吸附劑對鉛離子的吸附量增大。

圖2 不同體積流量下的Pb2+吸附曲線

2.2 溶液質量濃度對吸附的影響

由圖3可以看出，在相同體積流量下，隨著溶液初始質量濃度的增加，達到飽和吸附的時間變短，流出曲線上升部分的斜率變大。這是由于溶液中鉛離子的濃度增大，聚芳醚砜吸附材料的活性位點被大量的鉛離子包圍，在溶液和吸附劑之間存在較高的濃度梯度，這使得鉛離子的傳質速率增大，相同時間內(nèi)有大量的鉛離子被吸附在活性位點周圍，這樣吸附劑吸附的鉛離子濃度增加越快，越容易達到飽和和吸附。

圖3 不同質量濃度下的Pb2+吸附曲線

2.3 吸附劑質量對吸附的影響

由圖4可以看出，在相同體積流量的條件下，隨著吸附劑質量的增大，吸附飽和所需要的時間延長。這是因為隨著吸附劑質量的增大，吸附劑活性位點越來越多，相同體積流量下，通過的鉛離子濃度不變，吸附活性位點被完全占有的時間延長，所以吸附平衡到達吸附飽和的時間延長。

圖4 不同吸附劑質量下的Pb2+吸附曲線

2.4 溶液pH對吸附的影響

由圖5可以看出，pH小于3.0，吸附速率緩慢，可能是由于溶液中H+濃度比較高，并且與金屬離子競爭吸附劑的活性位點；還可能是由于金屬離子的排斥和吸附劑表面羧基的質子化削弱了離子交換作用。pH 3～4時，Pb2+的吸附率顯著增大，這可能是由于—COOH離子化為—COONa，增強了吸附劑表面羧基基團與金屬離子的離子交換和靜電作用，使PAES-C-Na的吸附率明顯提高。pH 5.0時，聚合物吸附劑對鉛離子的吸附能力最好，穿透時間最快，吸附達到飽和的時間相對較短。pH大于5.0時，PAES-C-Na吸附能力會略有下降，可能是由于金屬離子形成了沉淀物?？紤]到金屬離子的水解和沉淀，選取pH 5.0作進一步研究。

圖5 不同pH下Pb2+的吸附曲線

2.5 吸附劑的再生

連續(xù)3次吸附-解析后的結果如表1所示。吸附劑可以重復使用，且吸附能力無明顯下降。

表1 PAES-C-Na對Pb2+離子的吸附-解析循環(huán)

2.6 Thomas模型的應用

Thomas吸附動力學模型通常用來描述吸附柱的動態(tài)吸附曲線，并能計算柱的飽和吸附容量和吸附速率常數(shù)。Thomas吸附動力學模型的線性形式為

(1)

式中：KT為Thomas速率常數(shù)，mL/(min·mg)；qmax為平衡時單位質量的吸附劑吸附金屬的量，mg/g；m為柱中吸附劑的質量，g；t為流出時間，min；ρ0為是吸附質的初始質量濃度，mg/L；ρt為吸附質的流出質量濃度，mg/L；Q為柱體積流量，mL/min。以ln(ρ0/ρt-1)對t進行線性回歸，從斜率和截距可以計算出不同條件下的飽和吸附量和吸附速率常數(shù)，結果如表2所示。隨著質量濃度的增加，Thomas 速率常數(shù)逐漸減小，而飽和吸附量q0逐漸增加，這是由于隨著濃度的增加，吸附劑活性位點周圍的正電荷增多，排斥作用增大，吸附速率降低，隨著濃度增大，濃度梯度增加，活性位點接觸重金屬離子的機會增大，從而使飽和吸附量增大。隨著體積流量的增大，Thomas 速率常數(shù)逐漸增大，飽和吸附量q0逐漸減小。

表2 Thomas吸附動力學模型

2.7 Yoon-Nelson模型應用

Yoon-Nelson模型表達式為

(2)

式中：KYN為速率常數(shù)，min-1；τ為吸附吸附劑一半時所需要的時間，min；根據(jù)τ以式(3)可以算出平衡吸附量：

(3)

表3 Yoon-Nelson模型

隨著溶液濃度和溶液流速的增大，KYN增大，吸附50%吸附質所需時間減小，模型計算得到的吸附50% Pb2+所需時間與相應的實驗值相差不大，預測值和實驗值的誤差都在10%范圍內(nèi)， 表中的線性相關系數(shù)為0.96～0.98，說明Yoon-Nelson模型能夠描述聚合物吸附劑吸附Pb2+的動態(tài)吸附過程[8-9]。

3 結 論

鉛離子的循環(huán)吸附實驗說明，雙酚酸聚芳醚砜吸附劑可以重生多次使用，吸附能力雖有下降，但是不大。

由Yoon-Nelson模型和 Thomas模型的實驗和數(shù)據(jù)說明，鉛離子的動態(tài)吸附流出曲線可以用這兩種模型來擬合。

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Dynamicadsorptionofleadionsinwaterbypoly(aryleneethersulfone)containingbisphenol

MADewang,WANGDazhi,YINYuxin,ZHANGShaoyin

(SchoolofLightIndustryandChemicalEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)

The lead ions in the water were fixed bed adsorption using poly (arylene ether sulfone) containing bisphenol. The influence of initial concentration, volume flow, initial pH and adsorbent mass on the breakthrough curves was discussed. The dynamic adsorption properties of the polymer adsorbent for lead ions in water were studied by Yoon-Nelson model and Thomas model. The adsorbent after using was regenerated by 0.2 mol/L hydrochloric acid for multiple cycles of adsorption. The results showed that poly aryl ether can effectively remove the lead ion in water, and the solution flow rate and concentration has a great influence on the outflow curve. The saturated adsorption capacity increased with the initial concentration increasing, and decreased with the flow velocity increasing. The linear correlation coefficient is 0.94-0.98, indicating the Yoon-Nelson model and Thomas model could describe the traditional curve.

adsorbent; lead ions; poly (arylene ether sulfone); dynamic adsorption

馬得旺,王大鷙,尹宇新,張紹印.含雙酚酸聚芳醚砜對水中鉛離子的動態(tài)吸附[J].大連工業(yè)大學學報,2017,36(6):428-431.

MA Dewang，WANG Dazhi, YIN Yuxin, ZHANG Shaoyin. Dynamic adsorption of lead ions in water by poly(arylene ether sulfone) containing bisphenol[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(6): 428-431.

2016-03-28.

遼寧省自然科學基金項目(201202012)；遼寧省教育科學項目(L2011079).

馬得旺(1990-)，男，碩士研究生；通信作者：張紹印(1965-)，男，教授.

X703

A

1674-1404(2017)06-0428-04