齊丹+王玉杰

摘 要：為使農(nóng)林廢棄物得到有效利用，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，用酸溶液對木屑進(jìn)行改性，研究改性前后對廢水中Cr6+的吸附性能和吸附機(jī)理。研究結(jié)果表明：改性木屑的吸附性能明顯優(yōu)于未改性木屑。改性木屑最佳吸附平衡時(shí)間為1.5 h，且在pH小于4以下的酸性環(huán)境下表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附能力，對低濃度的含鉻廢水吸附效果更明顯，吸附效果隨著吸附劑投加量的增加先增高后逐漸達(dá)到平衡。通過吸附機(jī)理研究得出：木屑吸附動(dòng)力學(xué)與Langmuir吸附等溫模型相吻合。

關(guān)鍵詞：改性 木屑 吸附 吸附性能

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0080-04

農(nóng)林廢棄物指農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)與加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品和廢棄物[1]。作為生物質(zhì)材料，廉價(jià)易得的農(nóng)林廢棄物主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，還含有少量粗蛋白、脂肪、單寧、生物堿、甾醇等[2-3]。這些物質(zhì)中含有大量醇-OH、酚-OH、醚-O-、-NH2-、醛-CHO和酮-CO等極性基團(tuán)，有助于吸附廢水中的重金屬離子[4]。尤其是在對它們改性處理后，對重金屬廢水的去除率更是明顯提高[5-6]。我國對于農(nóng)林廢棄物的處理絕大部分是直接焚燒或填埋，只有小部分用于能源化、飼料、肥料和材料化應(yīng)用中，對資源造成了浪費(fèi)、對環(huán)境造成了污染。該實(shí)驗(yàn)研究改性木屑對廢水中六價(jià)鉻的去除效果，分析吸附劑投加量、pH值、吸附時(shí)間、鉻離子初始濃度對吸附效果的影響，并對吸附機(jī)理進(jìn)行研究。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

杉木木屑。

1.2 主要儀器設(shè)備

UV-2550型紫外可見分光光度計(jì)（島津企業(yè)管理有限公司）；FA2204B型電子天平（上海精科天美儀器廠）；JJ-4型六聯(lián)同步電動(dòng)攪拌器（金壇市中央儀器廠）；TDL-80-2B型高速臺(tái)式離心機(jī)（金壇市盛藍(lán)儀器廠）；DEF-OB型真空干燥箱（金壇市盛藍(lán)儀器廠）；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長城科工貿(mào)公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 預(yù)處理

木屑除掉可見雜質(zhì)，用一定濃度的NaOH溶液除色，并除掉上層浮渣。然后水洗至中性，抽濾，105 ℃干燥、冷卻后粉碎過100目篩，備用。

1.3.2 改性

將經(jīng)過預(yù)處理的木屑用10%的磷酸溶液加熱煮沸，靜置浸泡3 h后，用純水洗至中性，于110 ℃干燥箱中干燥，取出冷卻后過100目篩，即得到試驗(yàn)所需的改性木屑。

1.3.3 六價(jià)鉻波長的掃描

50 mL具塞比色管中加入0.2 mL鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液，用純水稀釋到刻度，加入（1+1）硫酸和（1+1）磷酸各0.5 mL，搖勻，再加入2 mL顯色劑，搖勻。10 min后，用紫外可見分光光度計(jì)掃描，確定顯色波長。

1.3.4 六價(jià)鉻的標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

方法同1.3.3，分別取鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液0 mL、0.20 mL、0.50 mL、1.00 mL、2.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL和10.00 mL進(jìn)行顯色反應(yīng)，用紫外可見分光光度計(jì)于542 nm處掃描，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.5 單因素實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

設(shè)定吸附時(shí)間、pH、吸附劑投加量、廢水初始濃度4個(gè)單因素，每個(gè)單因素5個(gè)水平，考察不同吸附條件對鉻離子去除率的影響。

（1） 取100 mL、100 mg/L模擬廢水，分別投加改性和未改性吸附劑1 g，原水pH下，攪拌0.5 h，靜置吸附時(shí)間設(shè)為0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h，離心分離，掃描計(jì)算去除率。

（2） 配置模擬廢水濃度分別為50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L，各取100 mL，分別投加改性和未改性吸附劑1 g，原水pH下，攪拌0.5 h，靜置吸附1 h，離心分離，掃描計(jì)算去除率。

（3） 取100 mL、100 mg/L模擬廢水，分別投加改性和未改性吸附劑0.5 g、1 g、1.5 g、2 g、2.5 g，原水pH下，攪拌0.5 h，靜置吸附1 h，離心分離，掃描計(jì)算去除率。

（4） 取100 mL、100 mg/L模擬廢水，分別投加改性和未改性吸附劑1 g，pH分別調(diào)至2、4、6、8、10，攪拌0.5 h，靜置吸附1 h，離心分離。再將離心上清液pH調(diào)至中性，掃描計(jì)算去除率。

1.3.6 吸附等溫線擬合

室溫條件下，稱取各1 g木屑和改性木屑，分別投加到體積為100 mL，濃度分別為50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L的模擬廢水中，攪拌0.5 h，靜置吸附1.5 h，待所有溶液吸附達(dá)到平衡后，測定廢水中剩余Cr6+濃度，分別做Langmuir式和Freundlich線性擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr6+的光譜掃描

按1.3.3中試驗(yàn)方法掃描Cr6+的紫外可見吸收光譜，見圖1。結(jié)果表明，在542 nm處有最大吸收峰，因此確定樣品溶液吸光度波長為542 nm。

2.2 Cr6+標(biāo)準(zhǔn)曲線

按1.3.4中試驗(yàn)方法掃描繪制Cr6+標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖2。

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 靜置吸附時(shí)間對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（1）中試驗(yàn)方法，研究不同靜置吸附時(shí)間對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知：改性木屑在處理含Cr6+廢水中的吸附性能明顯優(yōu)于未改性木屑。靜置吸附時(shí)間對未改性木屑吸附能力的影響不是特別明顯，只有小幅度地增加；而對改性木屑吸附能力影響較大，隨著靜置吸附時(shí)間的增加去除率明顯升高，在1.5 h處，幾乎達(dá)到吸附平衡。

2.3.2 廢水初始濃度對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（2）中試驗(yàn)方法，研究不同Cr6+初始濃度對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可知：廢水初始濃度對木屑和改性木屑處理含Cr6+廢水影響較大，隨著污水中Cr6+初始濃度的增加兩種吸附劑的去除率直線下降，改性木屑的吸附性能稍優(yōu)于未改性吸附劑，因此改性木屑在低濃度含鉻廢水中吸附性能較好。

2.3.3 吸附劑投加量對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（3）中試驗(yàn)方法，研究不同投加量對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可知：吸附劑投加量對木屑處理廢水影響較為明顯，且改性木屑吸附性能明顯優(yōu)于未改性木屑。改性木屑和未改性木屑均在投加1 g時(shí)表現(xiàn)出去除率不再明顯升高的現(xiàn)象，且最高的去除率也只能達(dá)到25%左右，Cr6+未完全去除。根據(jù)現(xiàn)象，分析原因?yàn)樵谔幚砗笃?，?dāng)投加木屑較多時(shí)，由于木屑粒徑太小，容易導(dǎo)致木屑結(jié)塊在一起，影響吸附的進(jìn)行。

2.3.4 pH值對Cr6+去除率的影響

按1.3.5（4）試驗(yàn)方法，研究不同pH對木屑和改性木屑吸附Cr6+的影響，結(jié)果見圖6。

由圖6可知：pH對木屑和改性木屑吸附Cr6+廢水影響較大，均表現(xiàn)出在酸性條件下的處理效果優(yōu)于堿性條件；改性木屑吸附性能明顯優(yōu)于未改性木屑。

2.4 吸附等溫線繪制及擬合

按1.3.6中試驗(yàn)方法，根據(jù)反應(yīng)前后重金屬溶液的濃度差、反應(yīng)體積、吸附劑用量計(jì)算出吸附劑的平衡吸附量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制等溫吸附線，結(jié)果見圖7。

木屑吸附廢水中Cr6+的Langmuir和Freundlich等溫吸附擬合曲線如圖8和圖9所示。

表1和表2分別計(jì)算并列出木屑吸附廢水中Cr6+的Langmuir和Freundlich等溫吸附擬合的相關(guān)參數(shù)。

由表1和表2可知，木屑吸附廢水中Cr6+的吸附模型基本屬于Langmuir吸附模型。相較于Freundlich吸附模型，Langmuir吸附模型的相關(guān)性較好，所以，木屑吸附廢水中Cr6+屬于Langmuir吸附，屬于單分子層吸附。

3 結(jié)論

該試驗(yàn)通過用木屑和改性木屑作為新型生物吸附劑，對K2Cr2O7模擬工業(yè)廢水中Cr6+進(jìn)行吸附，得出以下結(jié)論。

（1）改性木屑作為新型生物吸附劑對重金屬鉻的吸附性能明顯優(yōu)于未改性木屑。

（2）對于木屑及改性木屑，平衡的吸附時(shí)間為在靜置吸附1.5 h時(shí)，在低濃度廢水中吸附效果明顯優(yōu)于高濃度廢水中吸附的效果；當(dāng)吸附劑投加量達(dá)到一定質(zhì)量時(shí)，去除率不再明顯上升；在酸性條件下吸附效果明顯優(yōu)于堿性條件下。

（3）在繪制吸附等溫線的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)木屑及其改性均較符合Langmuir吸附模型。

4 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)研究可知，木屑可以作為對重金屬廢水處理的新型生物吸附劑進(jìn)行開發(fā)研究。同時(shí)，以林農(nóng)廢棄物作為原料，不僅減少了農(nóng)林生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物，減少了對資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，還有利于經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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