摘 要 :將活性炭纖維氈進行表面預(yù)處理后對其進行表征,并以電感耦合等離子體光譜儀和紫外可見分光光 度計為分析手段,在優(yōu)化實驗條件下,初步探討了活性炭纖維氈對六價鉻的吸附機理。結(jié)果表明,吸附動 力學(xué)結(jié)果符合二級動力學(xué)方程,是一種物理-化學(xué)作用為主的吸附過程;等溫吸附模型符合 Langmuir 吸附 等溫方程。利用活性炭纖維氈吸附處理含鉻廢水,處理效果好、操作簡單,可以作為去除水中六價鉻的吸附 劑。
引言:隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展,含鉻礦物被廣泛應(yīng)用于合金工業(yè)、電鍍、制革、印染等行業(yè), 因此這些工廠排出的廢水往往含有較高濃度的含鉻化合物[1-4],此外,火山活動和巖石風(fēng)化 等自然活動也會產(chǎn)生鉻污染[5]。鉻在水中主要以六價和三價形式存在,其中六價鉻的毒性遠 強于三價鉻,具有很強的氧化損傷作用,是癌癥研究機構(gòu)認定的致癌致突變物質(zhì)[6-10], 已成為世界各國高度關(guān)注的污染物[11]。我國《地下水水質(zhì)標準》(DZ/T0290-2015)中規(guī)定 Ⅰ類水中六價鉻含量不超過 0.005mg/L,《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)中規(guī)定 六價鉻濃度不超過 0.05mg/L,而《污水綜合排放標準》(GB18466-2005)中也規(guī)定了六價 鉻為一類污染物,其排放濃度不得超過 0.50mg/L。由此可見,研究如何去除水中的六價鉻, 有重要的理論意義和現(xiàn)實意義[12-13]。
目前,國內(nèi)外處理含鉻廢水的方法有電解法[14]、化學(xué)還原法[15]、離子交換法[16]、和吸 附法[17]等。與其它方法相比,吸附法具有操作簡單、去除率高、成本相對較低、吸附劑可 再生等優(yōu)點[18]。而常用的吸附劑主要有微生物和植物殘體[19-20]、天然或改性礦物質(zhì)[21]、活 性炭[22]等?;钚蕴坷w維氈(activated carbon fiber felt,ACFF)是近年來發(fā)展起來的新型吸附 材料[23],具有微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積大、吸脫附速率快、吸附后便于回收等特點。
本研究從微觀、宏觀兩個方面對活性炭纖維氈對水中六價鉻的吸附性能進行表征:微 觀實驗包括比表面積、孔容孔徑、掃描電鏡(SEM)、紅外光譜(FTIR)分析,宏觀實驗 主要包括吸附動力學(xué)、吸附等溫線實驗。初步分析了其吸附機理,提供了關(guān)鍵性能參數(shù),明 確了活性炭纖維氈吸附水中六價鉻的可行性,為含鉻廢水的處理提供了技術(shù)支持和理論基礎(chǔ)
1 實驗部分 1.1 儀器與試劑 儀器設(shè)備:電子天平(PWC254,英國 ADAM 衡器公司);恒溫振蕩器(ZD-85,蘇州 國華儀器有限公司);數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱(GZX-9140,上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司); 數(shù)控超聲波清洗器(KQ-700DV,昆山市超聲儀器有限公司);電感耦合等離子體光譜儀 (Optima 8000,美國 PerkinElmer 公司);比表面及孔徑分析儀(3H-2000PS2,貝士德儀器 科技有限公司);場發(fā)射掃描電鏡(SUPRATM 55,德國卡爾蔡司公司);紅外光譜儀(Frontier FTIR,美國 PerkinElmer 公司);紫外可見分光光度計(UV2550,日本島津公司)。 試劑與材料:六價鉻標準貯備液(中國計量科學(xué)研究院);硝酸(優(yōu)級純,天津市科密 歐化學(xué)試劑有限公司);二苯碳酰二肼(分析純,天津市大茂化學(xué)試劑廠);硫酸(優(yōu)級純, 天津市化學(xué)試劑三廠);活性炭纖維纖維氈(南通森友炭纖維有限公司)。
為了保證實驗結(jié)果的準確性,需要清除活性炭氈表面上的雜質(zhì)。將活性炭纖維氈在燒杯 中用高純水連續(xù)煮沸 5~6 h。然后用烘箱在 120℃下烘干,裝進干燥磨口瓶后置于干燥器中 待用[24]。
1.3.2 活性炭纖維氈的表征 處理后的活性炭纖維氈用靜態(tài)容量法全自動比表面積及孔隙度分析儀測定其 N2吸附、 脫附等溫線、比表面積、孔容孔徑、總孔體積等。用掃描電鏡觀察其表面形態(tài),并拍攝具有 代表性的圖像。用紅外光譜儀測定其紅外吸收譜圖。 1.3.3 吸附量與吸附率的計算 準確稱取活性炭纖維氈 300mg 置于 100mL 具塞錐形瓶中,再分別加入一定濃度的含鉻 廢水,于振蕩器中 25℃、轉(zhuǎn)速 150r/min 恒溫振蕩。用 ICP 法測定溶液中剩余鉻的含量。吸 附量 q(mg/g)和用公式(1)計算。
1.3.4 動力學(xué)實驗 將 300mg 活性炭纖維氈與質(zhì)量濃度為 1mg/L的含鉻溶液混合,于 25℃下進行恒溫振蕩。 利用 ICP 法測定反應(yīng)時間分別為 1、2、3、5、8、10、15、20、30、45、60、90、150、240、 360、400min 時上層液體中鉻的平衡濃度,并采用一級動力學(xué)方程、顆粒內(nèi)擴散方程、Elovich 方程和二級動力學(xué)方程等四種動力學(xué)模型來表征[3]。
1.3.5 等溫吸附實驗 將 300mg 活性炭纖維氈與不同濃度的含鉻溶液混合,于 25℃下恒溫振蕩,反應(yīng)時間為 400min。含鉻溶液的濃度分別為 0.02、0.04、0.06、0.10、0.14、0.20、0.24、0.30、0.36、0.40、 0.44、0.50、0.60、0.80、1.00、1.40、2.00、2.40mg/L,并使用 Langmuir 方程和 Freundlich 方 程對等溫吸附過程進行模擬[3]。
2 結(jié)果與討論
2.1 吸附劑性質(zhì) 圖 1 所示為活性炭纖維氈的氮氣吸/脫附等溫曲線。按照 IUPAC 分類法可得到:活性炭 纖維氈的吸附屬于Ⅰ型吸附等溫線,在低相對壓力區(qū)域吸附等溫線斜率很大,隨著相對壓力 的增大,等溫線斜率變小,吸附量增幅變緩。
這主要是由于吸附質(zhì)和吸附劑之間存在較強的相互作用,這種吸附等溫線對應(yīng)的材料一 般為微孔材料,表 2 列出的物理性質(zhì)參數(shù)也充分印證了這一點。 由表 2 可以看出,活性炭纖維氈的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、孔徑較小,有著較發(fā)達的 BET 比表 面積、微孔比表面積、總孔體積和微孔體積。
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本研究對吸附劑活性炭纖維氈進行了表征,并以電感耦合等離子體光譜儀和紫外可見分光光度計為分析手段,在優(yōu)化實驗條件下,研究了活性炭纖維氈對溶液中鉻的吸附。結(jié)果表明, 活性炭纖維氈孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、孔徑較小,由大量直徑小而均勻的絲狀纖維構(gòu)成,表面有少量 的醛基官能團。鉻在活性炭纖維氈上的吸附動力學(xué)模型符合二級動力學(xué)方程,是一種物理化學(xué)作用為主的吸附過程?;钚蕴坷w維氈對鉻的等溫吸附模型更符合 Langmuir 吸附等溫方 程,說明該體系的吸附主要為單分子層吸附。吸附平衡溶液中六價鉻含量明顯小于總鉻含量, 溶液中毒性較大的六價鉻還原為毒性較小的三價鉻,而對活性炭纖維氈的還原性,還需進一 步探討研究。
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