活性炭吸附重金屬離子的研究

*大學畢業(yè)論文題 目：活性炭吸附重金屬離子的研究學 院： 專 業(yè)： 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 2010 年 6 月 7 日 目 錄摘要 .1Abstract.2第一章 前 言 .31.1 重金屬廢水概述 .31.2 重金屬廢水的處理方法 .31.2.1 化學法 .31.2.2 物理法 .41.2.3 生物修復(fù)法 .51.3 活性炭處理重金屬的吸附機理 .61.4 活性炭處理重金屬的吸附平衡模式 .71.4.1 Freundlich 模式和 Langmuir 模式 .71.4.2 表面絡(luò)合模式 .71.5 活性炭吸附重金屬效果的影響因素 .71.5.1 活性炭用量 .71.5.2 pH 值 .81.5.3 溶液初始濃度 .81.5.4 吸附時間 .81.5.5 溫度 .81.5.6 共存離子 .91.5.7 其他因素 .9第二章 實驗部分 .102.1 實驗試劑 .102.2 實驗儀器與設(shè)備 .102.3 實驗方法 .102.3.1 溶液的配置 .102.3.2 活性炭的預(yù)處理 .102.3.3 實驗步驟 .10第三章 實驗結(jié)果與討論 .123.1 吸附標準曲線 .123.2 溫度對吸附效果的影響 .133.3 pH 值對吸附效果的影響 .143.4 吸附時間對吸附效果的影響 .1523.5 初始濃度對吸附效果的影響 .173.6 吸附性能及機理分析 .183.6.1 Langmuir 等溫式 .183.6.2 Freundlich 等溫式 .19第四章 結(jié)論與展望 .214.1 結(jié)論 .214.2 建議 .214.3 展望 .21參考文獻 .22致 謝 .23附錄:文獻翻譯及原文 .241活性炭吸附重金屬離子的研究摘要: 冶煉、電解、醫(yī)藥、油漆、合金、電鍍、紡織印染、造紙、陶瓷與無機顏料制造等行業(yè)每年排放大量含有多種重金屬離子的工業(yè)廢水，這些廢水中的重金屬離子及其化合物能在魚類及其他水生生物體內(nèi)富集，通過飲水和食物鏈的生物積累、生物濃縮、生物放大等作用，對人類和周圍的生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害。因此，探索重金屬離子的處理方法具有十分重要的現(xiàn)實意義。本研究選取吸附法為研究方向，并選擇傳統(tǒng)而應(yīng)用廣泛的活性炭作為吸附劑，以展開活性炭吸附重金屬離子的研究。本研究采用自行配制的 CuSO4 溶液及 CdSO4 溶液進行實驗，分別進行了活性炭吸附 Cu2+及 Cd2+的最適操作溫度及最佳 pH 值的探究實驗，且在最適溫度及最佳 pH 值的條件下，進行了多組活性炭對不同初始濃度的 CuSO4 溶液和 CdSO4 溶液的吸附實驗。實驗表明，活性炭吸附重金屬離子Cu 2+及Cd 2+的溶液最佳 pH值分別為pH=6.8 和pH=7.5。在溶液溫度為室溫時(25)，pH值分別為pH=6.8和pH=7.5 的條件下，通過活性炭對多組不同初始濃度的CuSO4溶液和 CdSO4溶液的不同吸附時間的實驗發(fā)現(xiàn)，隨著吸附時間的增加，活性炭的吸附量逐漸增大，開始時溶液中重金屬離子Cu 2+和Cd 2+的濃度下降很快，即活性炭吸附容量上升很快，隨著吸附的進行，活性炭吸附容量隨時間緩慢增加，直至達到吸附平衡，且其達到吸附平衡的時間大致為400min。隨著初始濃度的增加，活性炭對Cu 2+和Cd 2+的去除率均逐漸降低。活性炭顆粒處理較低濃度(8mg/l) 的溶液時，僅40% 至60%的去除率。關(guān)鍵詞：吸附；重金屬離子；活性炭2Adsorption of Activated Carbon of Heavy Metal Ions Abstract: Smelting, electrolysis, medicine, paint, alloy, electroplating, textile and dyeing, papermaking, ceramics and inorganic pigments manufacturing industries discharge industrial wastewater contains a variety of heavy metal ions every year. The heavy metal ions and compounds in the industrial wastewater will be gathered in fish and other aquatic organisms, destroy the human health and affect the ecological environment around serious through the biological accumulation, biological enrichment, and biological effect of the water and food chain.This study selected adsorption method for the direction of research, and choose the activated carbon which is traditional and widely used as adsorbent to do the heavy metal ions adsorption research. We did the experiments with the CuSO4 solution and CdSO4 solution we confected ourselves. We experimented to find the optimal temperature and pH for the adsorption of activated carbon on Cu2+ and Cd2+.On the optimal temperature and pH value , we did the activated carbon adsorption experiment with a group of different initial concentration of CuSO4 solution and CdSO4 solution.Experiment showed that the optimal pH value for the adsorption of activated carbon on Cu2+ and Cd2+ is pH=6.8 and pH=7.5.25,We did the activated carbon adsorption experiment with a group of different initial concentration of CuSO4 solution and CdSO4 solution on pH=6.8 and pH=7.5 and found that, with the increase of carbon adsorption time, the adsorption quantity increased gradually, the Cu2+in the solution decreased rapidly at first, that to say, adsorption capacity rose quickly. And then the absorption capacity of the activated carbon increase slowly over time, the Cd2+ in solution decreased slowly, until it reached adsorption equilibrium. The time for adsorption equilibrium was about 400min. with the increase of initial concentration, the efficiency decreased.Activated carbon particles adsorbed the low initial concentration (8mg/l) CuSO4 solution and CdSO4 solution, only about 40% to 60%. Key words: adsorption; heavy metal ions; activated carbon3第一章 前 言1.1 重金屬廢水概述重金屬系指密度在5g/cm 3以上的金屬，如金、銀、銅、鉛、鋅、鎳、鈷、鎘、鉻和汞等45種。砷、硒是非金屬，但它們的毒性以及某些性質(zhì)和重金屬相似，所以將砷、硒列入重金屬污染物范圍內(nèi)。從環(huán)境污染方面所說的重金屬主要是指生物毒性顯著的汞、鎘、鉛以及類金屬砷等重金屬，還包括具有一定毒性的重金屬如鋅、銅、鈷、鎳、錫、釩等 1。隨著科技的發(fā)展，冶煉、電解、醫(yī)藥、油漆、合金、電鍍、紡織印染、造紙、陶瓷與無機顏料制造等行業(yè)每年排放大量含有多種重金屬離子的工業(yè)廢水，這些廢水中的重金屬離子及其化合物能在魚類及其他水生生物體內(nèi)富集，通過飲水和食物鏈的生物積累、生物濃縮、生物放大等作用，對人類和周圍的生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害 2。工業(yè)廢水中的多種重金屬離子對環(huán)境的危害性突出表現(xiàn)為：重金屬離子在環(huán)境中不能生物降解，大部分屬致癌、致畸、致突變的劇毒物質(zhì)；水體中的重金屬離子通過食物鏈進入人體，在人體內(nèi)累積，導致各種疾病和機能紊亂 3。因此，重金屬成為了最受矚目的一類環(huán)境污染物。減少重金屬污染危害一直是國內(nèi)外工業(yè)界與環(huán)保部門的重點研究課題，并且越來越受到工業(yè)界的普遍重視。1.2 重金屬廢水的處理方法目前，世界各國重金屬廢水處理方法主要有三類 4 ：第一類是廢水中重金屬離子通過發(fā)生化學反應(yīng)除去的方法，包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、鐵氧體共沉淀法、化學還原法、電化學還原法和高分子重金屬捕集劑法等。第二類是使廢水中的重金屬在不改變其化學形態(tài)的條件下進行吸附、濃縮、分離的方法，包括吸附、溶劑萃取、蒸發(fā)和凝固法、離子交換和膜分離等。第三類是借助微生物或植物的絮凝、吸收、積累、富集等作用去除廢水中重金屬的方法，包括生物絮凝、生物化學法和植物生態(tài)修復(fù)等。1.2.1 化學法包括化學沉淀法、化學還原法、電解法和高分子重金屬捕集劑法等。 化學沉淀法化學沉淀法的原理是通過化學反應(yīng)使廢水中呈溶解狀態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡谒闹亟饘倩衔?，通過過濾和分離使沉淀物從溶液中去除。包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、鐵氧體共沉淀法。中和沉淀法操作簡單，是常用的處理廢水的方法，但是操作過程中需控制好pH 值，尤其當廢水中有多種重金屬離子共存時，需嚴格控制，且要實行分段沉淀。若廢水中有鹵素、氰根、腐殖質(zhì)等有可能與重金屬形成絡(luò)合物的陰離子，需在中和前進行預(yù)處4理。當廢水中含有較小顆粒時，需加入絮凝劑輔助沉淀生成。與中和沉淀法相比，硫化物沉淀法的優(yōu)點是重金屬硫化物溶解度比其氫氧化物的溶解度更低，且處理后的廢水一般不用中和。其缺點是：硫化物沉淀物顆粒小，易形成膠體，硫化物沉淀劑本身在水中殘留，遇酸生成硫化氫氣體，產(chǎn)生二次污染 1。鐵氧體共沉淀法的主要原理為使鐵離子和重金屬離子產(chǎn)生氫氧化物沉淀，通入空氣攪拌并加入氫氧化物不斷反應(yīng)，形成重金屬離子鐵氧體。該法形成的污泥化學穩(wěn)定性較高，易于固液分離和脫水。一般用來處理含Cr廢水，也特別適用于含重金屬離子的電鍍混合廢水 5。這種方法的優(yōu)點是設(shè)備簡單、投資少、操作簡便、不產(chǎn)生二次污染，缺點為能耗較高，處理后鹽度高，且處理的重金屬種類有限?？偠灾?，化學沉淀法因為沉淀劑的加入容易造成二次污染，而且沉淀劑和環(huán)境條件都會影響出水質(zhì)量，且對沉淀物的處理工藝要求很高，再利用價值不高 6。 電解法電解法是利用金屬的電化學性質(zhì)，使金屬離子在電解時能從相對高濃度的溶液中分離出來，然后加以利用。電解法的優(yōu)點有去除率高、可回收利用重金屬、無二次污染等，但其又有能耗大、不能處理較低重金屬離子濃度的廢水的缺點。 高分子重金屬捕集劑法重金屬捕集劑能夠結(jié)合重金屬離子，生成穩(wěn)定且難溶于水的金屬螯合物。反應(yīng)的效率較高，處理重金屬廢水時污泥沉淀快，含水率低，并具有良好的選擇性，可將部分重金屬離子與其他離子分離、回收再利用，從而克服了傳統(tǒng)化學處理法的不足，為后續(xù)的處理提供了方便，特別對廢水中重金屬含量低的廢水，處理費用相對較低，但目前并沒有大規(guī)模的運用到生產(chǎn)中。1.2.2 物理法物理法即使廢水中的重金屬在不改變其化學形態(tài)的條件下進行吸附、濃縮、分離的方法，包括吸附、溶劑萃取、蒸發(fā)和凝固法、離子交換和膜分離等。 吸附法吸附法是利用吸附劑吸附溶存于廢水中重金屬離子的一種方法。吸附法主要是以物理吸附和化學吸附為主。吸附法因其材料便宜易得，成本低，去除效果好而一直受到人們的青睞。傳統(tǒng)的、應(yīng)用得較多且技術(shù)較成熟的吸附劑為活性炭。活性炭是一種非極性吸附劑，它具有良好的吸附性能和穩(wěn)定的化學性質(zhì)，可以耐強酸、強堿，能經(jīng)受水浸、高溫、高壓作用，不易破碎。與其他吸附劑相比，活性炭具有巨大的比表面積和特別發(fā)達的微孔，通?；钚蕴康谋缺砻娣e高達500-1700m 2/g7。諸多研究表明，在重金屬的去除領(lǐng)域，活性炭吸附法具有技術(shù)簡單、經(jīng)濟可行、效果良好等優(yōu)點 8。但是活性炭再生效率低，使用壽命短，出水水質(zhì)有時難以滿足回用水要求。5近年來，國內(nèi)外逐漸開發(fā)出有吸附能力的多種吸附材料，一類是以自然資源作為天然吸附材料，如腐植酸(HA)類物質(zhì) 9、粘土(斜發(fā)沸石)、殼聚糖類、玉米棒子芯、白楊木材鋸屑等；另一類是利用微生物作為生物吸附材料。生物吸附劑是一種特殊的離子交換劑，與常規(guī)離子交換劑不同，起作用的是生物細胞，主要有菌體、藻類和細胞提取物等。生物吸附劑具有其他吸附劑所不具有的的優(yōu)點，例如：原料的來源廣、價格低、吸附能力強、易于分離回收重金屬等特點，因此在國外已經(jīng)被較為廣泛應(yīng)用。但此法也存在一些問題：吸附容量較易受環(huán)境因素影響，另外，生物吸附材料對重金屬的吸附具有選擇性，而重金屬廢水中往往含有多種重金屬，應(yīng)用上受到一定限制等10。 溶液萃取法用溶液萃取法處理重金屬廢水時，需選擇具有較高選擇性的萃取劑，且要求在萃取操作時注意選擇水相酸度。雖然萃取法有較大優(yōu)越性，但溶劑在萃取的過程中的流失和再生過程中能源消耗大，使得該方法具有一定的局限性，應(yīng)用也因此受到了很大的限制。 離子交換法離子交換處理法是利用離子交換劑分離廢水中有害物質(zhì)的方法，當含重金屬的液體通過交換劑時，交換劑上的離子同水中的重金屬離子進行交換，從而達到去除水中重金屬離子的目的。目前應(yīng)用的離子交換劑主要有離子交換樹脂、沸石、膨潤土、離子交換纖維等。 膜分離法膜分離技術(shù)是利用一種特殊的半透膜，在外界壓力的作用下、不改變?nèi)芤夯瘜W形態(tài)的基礎(chǔ)上，將溶液和溶質(zhì)進行分離或濃縮的方法。膜分離用于處理重金屬廢水，由于去除率高，選擇性強，在常溫下操作無相態(tài)變化，能耗低、污染小，自動化程度高等優(yōu)點，已經(jīng)受到了人們的廣泛重視并產(chǎn)生了很高的經(jīng)濟效益。在實際應(yīng)用中主要有微濾膜( 截留直徑在50nm左右)、納濾膜(截留直徑在 011nm 之間) 、超濾膜(截留直徑在150nm 之間)、電生物膜等。近年來，膜技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)模化的生產(chǎn)，在生產(chǎn)中主要有陶瓷膜、電生羥基膜等種類，根據(jù)不同處理需要可生產(chǎn)出不同直徑的膜產(chǎn)品，其生產(chǎn)成本也不盡不同。由于在應(yīng)用中為了膜的再生，需要在處理過程中對膜進行反沖洗以增加膜的使用壽命，從而使得其生產(chǎn)成本增加。另外，由于本身對生產(chǎn)工藝要求很高，所以其在應(yīng)用推廣中受到了限制 6。1.2.3 生物修復(fù)法生物修復(fù)法指借助微生物或植物的絮凝、吸收、積累、富集等作用去除廢水中重金屬的方法，其中包括生物絮凝、生物化學法和植物生態(tài)修復(fù)等。6 生物絮凝法生物絮凝法是利用微生物或微生物產(chǎn)生的代謝物進行絮凝沉淀的一種除污方法 11。微生物絮凝劑是一類由微生物產(chǎn)生并分泌到細胞外、具有絮凝活性的代謝物，一般由多糖、蛋白質(zhì)、DNA、纖維素、糖蛋白和聚氨基酸等高分子物質(zhì)構(gòu)成，分子中含有多種官能團，能使水中膠體懸浮物相互凝聚沉淀。生物絮凝法具有許多優(yōu)點，例如處理廢水安全、方便且無毒，不產(chǎn)生二次污染，絮凝效果好等等。但當前也存在著生產(chǎn)成本較高、活體絮凝劑保存困難、難以進行工業(yè)化生產(chǎn)等難題，因此大部分生物絮凝劑還處于探索研究階段。 植物修復(fù)法植物修復(fù)法是指利用植物通過吸收、沉淀和富集等作用降低被污染土壤或地表水的重金屬含量，以達到治理污染、修復(fù)環(huán)境的目的。利用植物處理重金屬，主要由三部分組成：從廢水中吸取、沉淀或富集有毒金屬；降低有毒金屬活性，從而減少重金屬被淋濾到地下或通過空氣載體擴散；將土壤中或水中的重金屬萃取出來，富集并輸送到植物根部可收割部分和植物地上枝條部分，通過收獲或移去已積累和富集了重金屬植物的枝條，降低土壤或水體中的重金屬濃度。植物修復(fù)法具有實施較簡便、成本較低和對環(huán)境擾動少的優(yōu)點，不僅可以凈化和美化環(huán)境，而且在清除土壤中重金屬污染物的同時，可以從富含重金屬的植物殘體中回收貴重金屬，取得直接的經(jīng)濟效益。但其存在的缺點是治理效率較低，不能治理重污染土壤，且一種植物只吸收一種或兩種重金屬，難以全面清除土壤中的所有污染物。另外施加有機螯合劑雖能增強對重金屬的富集能力，卻可能會造成有毒元素地下的滲漏，形成潛在的污染風險，且增加了運行成本。總之，植物修復(fù)技術(shù)作為一種新的污染治理替代技術(shù)，盡管具有極大的潛力和市場前景，但目前主要還停留于實驗室模擬研究階段。綜上所述，考慮本校實驗室的實驗條件，本研究擬定選取吸附法處理重金屬廢水的研究為方向，綜合考慮市場應(yīng)用情況及成熟程度，以及采購是否方便等實際情況，本研究確定活性炭為本次研究的吸附劑。1.3 活性炭處理重金屬的吸附機理活性炭處理重金屬主要是靠吸附作用，目前認為，活性炭對重金屬離子的吸附機理主要是重金屬離子在活性炭表面的離子交換吸附，同時還有重金屬離子與活性炭表面的含氧官能團之間的化學反應(yīng)吸附、金屬離子在活性炭表面沉積而發(fā)生的捕集物理吸附 12。但有外國學者認為活性炭對重金屬的吸附不僅僅是一個簡單的離子交換過程，活7性炭上各種活性位點對重金屬的吸附也是一個重要的原因，同時金屬陽離子和活性炭表面的陰離子間的靜電引力也起了一定的作用。還有學者 13認為活性炭對重金屬的吸附行為，可以用表面絡(luò)合吸附模式描述，活性炭顆粒表面各種含羥基的集團與溶液中離子的各種形式形成表面絡(luò)合而將其吸附。1.4 活性炭處理重金屬的吸附平衡模式1.4.1 Freundlich 模式和 Langmuir 模式活性炭對重金屬的吸附模式可以用Freundlich模式和Langmuir模式來模擬，這兩種模式也是最常見的經(jīng)典經(jīng)驗?zāi)Ｊ?。這兩種模式主要是依靠大量的實驗結(jié)果而提出的數(shù)學模式，因其形式比較簡單，計算也較方便，并且能化成某一線性方