一、前言

在眾多環(huán)境污染中，重金屬由于自身不能被自然降解，進(jìn)而易通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，嚴(yán)重危害人類健康，因此在水體中的污染越來(lái)越引起人們的注意。鉛、鎘、銅及其化合物因廣泛應(yīng)用于采礦、冶煉、電子、電鍍石油、肥料制造等行業(yè)，已成為污水中的重要污染源而備受人們的關(guān)注，在環(huán)保、衛(wèi)生、食品等部門世界各國(guó)均有嚴(yán)格的法規(guī)限制其允許量。

活性炭作為一種非極性吸附劑，來(lái)源豐富，是目前廢水處理中應(yīng)用廣的吸附劑之一。它具有良好的吸附性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，可以耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，能經(jīng)受水浸、高溫高壓作用，同時(shí)還可以活化再生。吸附法處理廢水的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用主要取決于活性炭制備材料的費(fèi)用，因此低能耗的材質(zhì)選擇用于制備活性炭成為目前研究的熱點(diǎn)。在此項(xiàng)工作中。波濤活性炭廠家研究了自制的石油焦活性炭對(duì)重金屬銅鉛鎘離子的吸附去除能力，測(cè)定了不同條件對(duì)活性炭吸附溶液中鉛鎘銅離子的影響，為處理微量重金屬?gòu)U水作出有意義的探索。現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：

一、pH對(duì)活性炭吸附鉛鎘離子的影響

活性炭表面各類含氧基團(tuán)、官能團(tuán)，主要以-CHO,-OH,-COOH,-C=O四種形式存在，它們通常是活性炭吸附的活性中間點(diǎn)。pH值作為重要的介質(zhì)因素，不僅僅影響吸附點(diǎn)解離，而且影響重金屬離子的溶液化學(xué)水解，氧化還原反應(yīng)和沉淀。了解到一般工業(yè)廢水中重金屬離子的平均濃度為60mg/L，而當(dāng)重金屬離子初始濃度為60ppm時(shí)，金屬離子存在的pH范圍為1~7，因此本實(shí)驗(yàn)選擇在pH值3.0~6.5，結(jié)果如圖1所示。

從圖上可以看到當(dāng)溶液的pH在3.0~6.5之間時(shí)，隨著pH值升高，活性炭吸附容量升高，但是隨著pH的繼續(xù)升高，吸附容量反而降低。這是因?yàn)樵趐H值很小的時(shí)候，溶液中存在大量的H+離子，活性炭表面的-CHO、 -OH、-COOH、-C=O會(huì)跟溶液中的H⁺結(jié)合，改變了活性炭表面的親和性，此時(shí)，活性炭的有效活性中間點(diǎn)被H⁺占據(jù)，重金屬離子沒(méi)有充分被吸附，所以吸附量相對(duì)較低。隨著溶液的pH值的升高，跟活性炭表面官能團(tuán)結(jié)合了的H⁺會(huì)發(fā)生離解，使得大量的活性中間點(diǎn)暴露在外面，重金屬離子將占據(jù)這些活性中間點(diǎn)而有效地被吸附，所以吸附量是隨著pH值的增加而加大的。但是隨著pH值繼續(xù)加大，溶液中的OH^-與金屬離子的化學(xué)作用力增加，導(dǎo)致吸附量的相對(duì)下降，因此本實(shí)驗(yàn)選擇較佳pH值為4.8。

二、溫度對(duì)活性炭吸附鉛鎘離子的影響

活性炭對(duì)重金屬的吸附作用實(shí)際為吸附和脫附兩個(gè)過(guò)程的競(jìng)爭(zhēng)，一般吸附是放熱過(guò)程，低溫有利；而脫附是吸熱過(guò)程，高溫有利。本次模擬實(shí)驗(yàn)中固定其他條件（鉛鎘銅溶液100mL，pH4.8，初始濃度60 mg/L，活性炭用量0.3000g，恒溫振蕩2hrs），對(duì)20℃~70℃的吸附過(guò)程進(jìn)行了考察，結(jié)果如圖2所示。

從圖可以看出低溫時(shí)溫度對(duì)吸附容量影響不大，而且對(duì)重金屬的吸附可達(dá)很好的效果。因此從微觀的角度，溫度主要是影響分子的布朗運(yùn)動(dòng)，而本實(shí)驗(yàn)所用的活性炭是中孔徑的，能夠很有效地吸附溶液中的金屬離子，所以金屬離子能夠很好地進(jìn)入活性炭的孔隙達(dá)到吸附平衡。而當(dāng)溶液溫度較高（高于50℃）時(shí)，液相吸附熱雖然較小，但是由于分子熱運(yùn)動(dòng)的加劇，導(dǎo)致對(duì)吸附平衡的破壞，吸附容量有所減小，表現(xiàn)為物理吸附性能的特性。因此本實(shí)驗(yàn)過(guò)程選擇溫度為室溫25℃。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，重金屬離子的吸附量波動(dòng)變化不是很大，這說(shuō)明自制活性炭適用于實(shí)際環(huán)境水樣中重金屬?gòu)U水的處理。

三、活性炭用量對(duì)活性炭吸附鉛鎘離子的影響

對(duì)于相同的溶液，隨著活性炭用量的增加，被吸附離子的相對(duì)濃度是降低的，吸附效果是增強(qiáng)的，但它的單位吸附量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，活性炭的用量對(duì)吸附有一定的影響，為了探索它的影響，我們恒定其他條件（鉛鎘銅溶液100mL，pH4.8，初始濃度60mg/L，恒定室溫振蕩2hrs），分別稱取0.0500g，0.1000g，0.2000g，0.3000g的活性炭加入其中，分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著活性炭投加量的加大其對(duì)溶液中金屬離子的吸附容量逐漸減少，對(duì)于相同投加量的活性炭對(duì)銅離子的吸附容量高，鉛離子次之，鎘離子少。對(duì)于一定濃度的鉛鎘銅離子來(lái)說(shuō)，隨著活性炭用量的增加，各種離子的吸附效率也隨之增加，因?yàn)楫?dāng)原水中濃度一定時(shí)吸附劑量增加，可供吸附的活性位點(diǎn)增多，吸附劑上吸附的吸附質(zhì)相對(duì)量增加，則達(dá)到吸附平衡時(shí)，吸附質(zhì)的平衡濃度降低，因而吸附去除率升高，但吸附容量卻隨著吸附劑量增加而降低，其原因是吸附劑量增加，平衡濃度降低，單位吸附劑的相對(duì)吸附容量卻隨之下降。因此60mg/L的100ml溶液中，結(jié)合去除效果和吸附容量，活性炭的用量選擇為0.2000g。

四、吸附時(shí)間對(duì)活性炭吸附鉛鎘離子的影響

在活性炭的吸附過(guò)程中，振蕩時(shí)間對(duì)吸附效果也有較大的影響，溶液中的吸附質(zhì)占據(jù)活性中間點(diǎn)是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，即需要一定的時(shí)間來(lái)使吸附達(dá)到平衡，這一段時(shí)間即所謂的吸附平衡時(shí)間。只有達(dá)到了吸附平衡時(shí)間，活性炭才能較大限度的發(fā)揮效能。固定其他條件不變（鉛鎘銅溶液100mL，pH4.8，初始濃度60mg/L，活性炭用量0.2000g，恒定室溫），分別振蕩不同時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)圖4。

可以看出，三種重金屬離子在活性炭上的吸附容量均隨吸附時(shí)間的增加而增加，但當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)60min左右時(shí)則基本不變。開(kāi)始時(shí)吸附容量上升很快是因?yàn)榇藭r(shí)重金屬離子在活性炭上的吸附主要發(fā)生在外表面上，隨著吸附的進(jìn)行，吸附質(zhì)逐漸由大孔經(jīng)過(guò)過(guò)渡孔深入到微孔中，重金屬在內(nèi)孔中傳質(zhì)速度逐漸減慢，吸附容量隨時(shí)間緩慢增加，直至達(dá)到吸附平衡。因此，在靜態(tài)吸附影響因素的實(shí)驗(yàn)中取振蕩時(shí)間為60min，而在等溫吸附實(shí)驗(yàn)中，為了確保吸附充分達(dá)到平衡，取振蕩時(shí)間為24hrs。

五、吸附性能及機(jī)理分析

靜態(tài)吸附容量也是描述和預(yù)測(cè)活性炭的吸附性能的重要指標(biāo)，因此根據(jù)活性炭吸附前后樣品濃度的變化，選用Freundlich模型和Langmuir模型來(lái)進(jìn)一步分析其吸附性能。在室溫的條件下，固定活性炭加入量0.2000g、pH4.8和震蕩時(shí)間24hrs等條件，對(duì)一系列不同濃度的重金屬離子進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，測(cè)試在吸附平衡后相對(duì)應(yīng)的溶液中金屬離子濃度，所得數(shù)據(jù)換算為吸附量，分別繪制了鉛鎘銅的吸附等溫線。鉛鎘銅金屬離子在活性炭上的吸附行為遵循Langmuir公式，并且在所考察的濃度范圍內(nèi)，吸附行為又符合Freundlich方程。其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1活性炭對(duì)重金屬離子的吸附模型參數(shù)

R2相關(guān)系數(shù)，F(xiàn)型和L型擬合相關(guān)均達(dá)到0.95以上，表明活性炭對(duì)金屬離子的吸附符合吸附等溫方程。根據(jù)L型模型，Qm是理論飽和吸附容量，b是Langmuir常數(shù)，與吸附能量有關(guān)，是表征吸附能力的常數(shù)，因此活性炭對(duì)金屬離子吸附容量和吸附能力大小順序?yàn)镃u²⁺>Pb²⁺>Cd²⁺。分析F型模型，n大則吸附趨勢(shì)大，即金屬離子濃度對(duì)吸附的影響趨勢(shì)是Cu²⁺>Cd²⁺>Pb²⁺；K值的大小可大致判斷吸附能力的強(qiáng)弱，吸附能力是Cu²⁺>Pb²⁺>Cd²⁺，與L型類似。

六、結(jié)論

1、經(jīng)過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析得出該活性炭吸附金屬離子的較佳條件：100mL溶液較佳pH值4.8，活性炭的投加量0.2000g；吸附過(guò)程受溫度影響不大，試驗(yàn)取室溫；如果工藝流程要求快速有效，時(shí)間可設(shè)定為60min，如果靜沉作為工藝流程之一，且要求高去除率，處理時(shí)間則設(shè)定為10~12小時(shí)。

2、吸附的機(jī)理一般為離子交換，化學(xué)反應(yīng)吸附或捕集物理吸附，由于活性炭吸附可以用F型和L型模型進(jìn)行較好的擬合，線性相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，說(shuō)明三種金屬離子在活性炭上的吸附屬單分子層吸附，該吸附過(guò)程屬于物理吸附和化學(xué)吸附并存的物理運(yùn)動(dòng)過(guò)程，只要金屬鉛離子充分接觸活性炭表面并進(jìn)入空隙內(nèi)部就能有效地被吸附，但當(dāng)吸附到達(dá)一定的時(shí)間后，吸附運(yùn)動(dòng)基本達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。

3、活性炭對(duì)Pb²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺的較大吸附容量分別可達(dá)到52.54mg/g、35.65mg/g、57.05 mg/g；吸附能力大小順序?yàn)镃u²⁺>Pb²⁺>Cd²⁺；金屬離子濃度對(duì)吸附的影響趨勢(shì)是Cu²⁺>Cd²⁺>Pb²⁺。