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活性炭吸附重金屬離子的影響因素分析

發布時間:2020-11-16 瀏覽

摘要:在參考眾多資料的基礎上,從活性炭對重金屬離子吸附機理的觀點出發,分析活性炭吸附對重金屬離子的主要影響因素—活性炭顆粒粒徑、孔隙的大小、溫度、pH值、以及水中其他粒子的相互作用等,並在該分析的基礎上探討提高活性炭吸附能力的一些措施。

隨著科技的發展,人們的生活日新月異。但人們在享受生活的同時,也麵臨著嚴峻的環境問題。據統計,我國每年排出的工業廢水約為8×108m3,其中不僅含有氰化物等劇毒成分,而且含有鉻、鋅、鎳、鋅、汞等重金屬離子。由於其較高的穩定性以及較強的毒性,采用傳統的水處理工藝處理這些工業廢水,不僅大量消耗能源,產生的二次廢物也往往難以處理。而活性炭由於表麵積較大,以及很高的物理吸附和化學吸附功能,效率高,去除效果好等優點,被廣泛應用在廢水處理中。國內外有較多的文獻研究活性炭對特定離子的吸附問題,但大多是通過實驗來說明操作條件對活性炭吸附重金屬離子的影響,很少涉及吸附機理對活性炭吸附的影響分析,在查閱各種文獻資料的基礎上,試圖從活性炭吸附重金屬離子的機理出發,分析對吸附有較大影響的因素,並從中提出提高活性炭吸附能力的措施。

活性炭吸附重金屬離子的影響因素分析

1、吸附機理分析

活性炭是含碳物質經過高溫熱解和活化而得到的多孔狀碳化合物。其內部的多孔結構,使得每克活性炭的表麵積可達1000m2,活性炭的較強吸附能力即在於它具有這樣大的吸附麵積。

溶質從水中移向固體顆粒表麵,發生吸附,是水、溶質和固體顆粒三者相互作用的結果。引起吸附的主要原因在於溶質對水的疏水特性和溶質對固體顆粒的高度親和力。活性炭對離子的吸附過程主要有下列幾個步驟:(1)液膜擴散,由流體主體擴散至吸附劑表麵;(2)孔擴散,由吸附劑孔內液相擴散至吸附劑中心;(3)表麵吸附反應。重金屬離子在吸附劑如活性炭上的吸附往往不僅僅是單純的物理吸附,而是常常與吸附劑的表麵官能團進行反應形成沉澱和絡合物或進行離子交換等,故其不可能像有機物分子一樣在吸附劑表麵以吸附態形式自由地遷移。因此,對於重金屬離子而言,認為其吸附機理包括三個方麵的過程:

(1)重金屬離子在活性炭表麵沉積而發生的物理吸附;

(2)重金屬離子在活性炭表麵可發生離子交換反應;

(3)重金屬離子與活性炭表麵的含氧官能團發生化學吸附。

根據上述吸附機理,通過對重金屬離子鉛、鎘、銅等的吸附研究,得出的吸附曲線可以很好地與Freundlich型和Langmuir型曲線擬合,線性相關係數均在0.95以上,說明三種金屬離子在活性炭上的吸附屬單分子層吸附,該吸附過程屬於物理吸附和化學吸附並存的物理運動過程,隻要金屬鉛離子充分接觸活性炭表麵並進入空隙內部就能有效地被吸附,但當吸附到達一定的時間後,吸附運動基本達到一種動態平衡。

2、吸附影響因素分析

2.1活性炭粒徑、孔隙的大小

活性炭的吸附能力與活性炭的孔隙大小和結構有關。一般來說,顆粒越小,孔隙擴散速度越快,活性炭的吸附能力就越強。

Huang和Smith等(1981)通過實驗證明,顆粒活性炭(GAC)的吸附速度遠小於粉狀活性炭(PAC)的吸附速度,孔隙的擴散速率被認為是製約吸附速度的主要因素。在隨後Huang和Wirth等的實驗中,通過一係列的粒徑大小不一的粉狀活性炭,證明了隨著粒徑的增加,孔隙內的擴散對吸附過程的影響越來越重要。Rubin和Mercer(1987)比較了可以通過8-10目篩和可以通過50-200目篩的顆粒活性炭的吸附速度,得出粒徑為可通過8-10目篩的顆粒活性炭達到吸附平衡的時間為95h,而粒徑可以通過50-200目篩的顆粒活性炭達到吸附平衡的時間平均為6h,兩者差距明顯。

此外,顆粒的粒徑還影響到活性炭比表麵積的大小。活性炭纖維(ACF)與顆粒活性炭和粉狀活性炭相比,其孔徑分布狹窄而均勻,微孔體積占總體積的90%左右,微孔孔徑大多在1nm左右,實驗表明,其對水中重金屬離子的吸附較後兩者相比,吸附容量有較大的提高,吸附速率也較快。

2.2溫度的影響

活性炭對重金屬離子的吸附過程實質上是吸附與脫附相互交織的過程。由於吸附反應是吸熱反應,因此,一般來說溫度低一些好。黃鑫等通過不同溫度下的吸附試驗,發現一定溫度下(<50℃)對吸附容量的影響並不大,活性炭對重金屬的吸附依舊可以得到比較好的效果。隻有當溶液溫度較高(>50℃)時,液相吸附熱雖然較小,但是由於分子熱運動的加劇,導致對吸附平衡的破壞,吸附容量有所減小,表現為物理吸附性能的特性。

2.3pH值

活性炭表麵各類含氧基團、官能團,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心。考慮到吸附機理,pH值作為重要的介質因素,不僅僅影響吸附點解離,而且影響重金屬離子的溶液化學水解,氧化還原反應和沉澱。

樱桃小视频活性炭廠家通過對鉛鎘離子不同pH值下的吸附試驗發現,當溶液的pH在3.0-6.5之間時,隨著pH值升高,活性炭吸附容量升高,但是隨著pH的繼續升高,吸附容量反而降低。這是因為在pH值很小的時候,溶液中存在大量的H離子,活性炭表麵的-CHO,-OH,-COOH,-C=O會跟溶液中的H結合,改變了活性炭表麵的親和性,此時活性炭的有效活性中心被H占據,重金屬離子沒有充分被吸附,所以吸附量相對較低。隨著溶液的pH值的升高,跟活性炭表麵官能團結合了的H會發生離解,使得大量的活性中心暴露在外麵,重金屬離子將占據這些活性中心而有效地被吸附,所以吸附量是隨著pH值的增加而增加的。但是隨著pH值繼續增加,溶液中的OH-與金屬離子的化學作用力增加,導致吸附量的相對下降。

2.4水中其它粒子的影響

當水中含有其它重金屬離子時,其受活性炭的吸附程度可能會受到彼此的影響,從而發生協同效應或者拮抗效應。Wey等發現當水中含有一些不同的重金屬離子時,活性炭的吸附效率會有較大程度的下降,尤其是鉛和鎘兩種重金屬離子。這些重金屬離子形成的化合物會占據在活性炭的表麵而使其吸附麵積大幅度下降,使活性炭喪失吸附其他物質的能力。

水中的其他化合物也可能會對吸附產生影響。Reed等在試驗使用活性炭去除鎳和鎘的過程中,使用EDTA、丁二酸和磷酸鹽作為添加劑,對於Nuchar和Darco兩種類型的活性炭,由於自由配基體的作用,EDTA的添加使得其吸附能力下降;而對於Calgon類型的活性炭,在低pH值的情況下,EDTA的添加使其吸附能力得到提升。而丁二酸、磷酸鹽的添加沒有對吸附造成影響。

當然,活性炭的吸附能力與汙水濃度有關。在一定的溫度下,活性炭的吸附量隨被吸附物質平衡濃度的提高而提高。

3、提高活性炭吸附能力的措施

3.1改良活性炭

3.1.1采用表麵改性劑

由以上分析知,活性炭表麵的官能團對其吸附特性會產生重大影響,通過研究其表麵特性對不同物質吸附性能的影響,並根據吸附質的不同對其進行相應的改性處理,可以顯著地提高吸附的適應性和吸附效率。

采用濃HNO3對活性炭纖維進行氧化改性,使得ACF表麵含氧基團包括酸性基團明顯增加,對低濃度鉛離子的吸附效果很好,吸附速率也非常快,吸附平衡時間僅需5min,而且在pH值4-6之間保持著對鉛離子較高的吸附性能。

3.1.2改良製作工藝

在活化過程中,活性炭表麵形成了對吸附有重大影響的表麵氧化物。一般在300℃-500℃以下用濕空氣製造的活性炭中,酸性氧化物占優勢;而在800℃-900℃下,用空氣、蒸汽或CO2為活化氧化劑製造的活性炭中,堿性氧化物占優勢;在500℃-800℃之間則具有兩性性質。因此,改良活性炭的製作工藝,優化活性炭的表麵氧化物類型,提升活性炭的吸附能力,使活性炭具有極性的性質,易於吸附極性較強的重金屬離子等。

3.2調節溶液的pH值

活性炭對水中重金屬離子的吸附,受pH值影響較大,合理的調節pH值可以明顯地提高脫除效率。對活性炭吸附水中鉛離子進行動態實驗前,需先選擇合適的實驗pH值範圍。在pH為2時,活性炭幾乎不吸附Pb2+離子,隨著pH值的升高,吸附效率逐漸提高,到pH=8時,Pb2+與溶液中的OH-起沉澱反應,溶液中Pb2+濃度變得很低,考慮到既要吸附效率高而又不發生沉澱反應,因此其選擇動態吸附實驗的pH=6。

3.3對水樣進行預處理

根據之前對活性炭吸附影響因素的分析,對水樣進行適當的預處理可以降低水樣中影響吸附的物質的濃度,降低水的濁度等,使得活性炭對吸附重金屬離子的吸附更為有效,活性炭的工作周期變長,提高活性炭的吸附效率。

4、結論

(1)由於重金屬離子的特殊性質,使得活性炭對重金屬 離子的吸附除普通的物理吸附外,在活性炭的表麵還會有離子交換反應和含氧官能團的化學吸附。

(2)孔隙的擴散速率是製約吸附速度的主要因素,pH值對於活性炭表麵的氧化物影響程度較大,從而使得溶液的吸附量受到影響。

(3)根據對活性炭吸附影響因素的分析,通過調節pH值、對活性炭表麵進行改性、對水樣進行預處理等措施,可以明顯改善活性炭的環境適應性,提高活性炭的吸附能力。

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