2. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院,哈尔滨 150090 ;
3. 中国人民解放军69330部队,新疆 哈密 839200
2. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China ;
3. Troops 69330 PLA, Hami 839200, Xinjiang, China
水环境中重金属污染物具有持续性、剧毒性和难降解性等特点,已经引起广泛关注.重金属污染源主要包含人工源和自然源两类,其中人工源是造成水源水中重金属污染的主要原因[1],主要来自矿山、冶金、电子、电镀、石油和化肥生产等工业排水[2].重金属离子Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)等可以富集在微生物、水生植物和动物等生物体内[3-4],并通过食物链进入人体,导致重金属离子在不同器官内富集,进而影响人体健康[5].因此,重金属污染已经成为水环境中重要问题之一,国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)规定Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)离子的限值分别为0.01和1.0 mg/L.
目前,常用的重金属离子去除方法有化学沉淀、吸附、电解、离子交换和膜分离等[6-8],其中,吸附技术由于具有快速、高效、操作方便及价格便宜等优点广泛应用于重金属污染物的去除[9].活性炭纤维(ACF)作为一种新型活性炭,具有很大的比表面积以及大量的微孔和丰富的官能团,吸附性能良好.同时,吸附层不会因为碎屑沉积和沉积不均匀而造成阻力增加或流体分布不均,也不会造成二次污染[10],逐步应用于水处理领域.然而,ACF对重金属离子的吸附去除能力有限,限制其在重金属废水处理中的应用.本实验采用浓HNO3及Fe溶液对ACF进行浸渍改性以提高其对重金属离子的吸附能力,在分析ACF表面物理化学特性的基础上,通过吸附动力学、初始pH影响和等温线的研究,评价不同改性方法处理的ACF对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)的竞争吸附效能.
1 实验 1.1 实验配水根据不同实验需求,采用去离子水添加一定量的Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)等储备液配制所需质量浓度水源水,其中Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)储备液采用相应的硝酸盐进行配置,储备液质量浓度均为1 000 mg/L,Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)储备液的pH均调节为5.5.
1.2 实验材料ACF购于江苏苏通碳纤维有限公司.将ACF剪为10 cm×10 cm的正方形后,放入1 000 mL的大烧杯中,先用蒸馏水冲洗杂物,然后进行加热处理,待煮沸后继续加热半小时,至ACF表明无明显气泡,以去除其中的水溶性和挥发性物质,然后烘干待用,记为ACF-0.
将一定量预处理后的ACF剪为2 cm×2 cm的小块,然后浸渍于质量分数为65%~68%浓硝酸中,在20℃水浴条件下氧化2 h,然后用蒸馏水反复冲洗,至滤液呈中性,105℃烘干至恒质量,记为ACF-1;将该ACF小块浸渍在体积比为4:1的0.15 mol·L-1 FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O混合溶液200 mL,逐滴加入5 mol·L-1的NaOH溶液50 mL,在80℃磁力搅拌下反应4 h,用蒸馏水反复冲洗至中性,105℃烘干至恒质量,记为ACF-2.
1.3 实验方法吸附动力学实验中,对于初始质量浓度均为10 mg/L的Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)重金属离子溶液,加入500 mg/L ACF,并置于摇床中25℃恒温震荡,分别于5,10,20,30,60,120,180,240,300 min后取滤液,过滤后测定残余重金属离子质量浓度.
吸附等温线实验中,配制初始质量浓度分别为5,10,15,20,25,30 mg/L的Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)溶液100 mL于碘量瓶中,并加入500 mg/L ACF于25℃摇床中反应6 h,过滤后测定残余重金属离子质量浓度.
初始pH影响因素实验中,500 mg/L ACF加入初始质量浓度均为10 mg/L的Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)溶液中,利用0.1 mol/L HCl和0.1 mol/L NaOH调节初始pH在2.83~9.54变化,置于摇床中25℃恒温震荡6 h,过滤后测定pH和残余重金属离子质量浓度,其余实验中pH调节为6.0.
1.4 分析方法重金属离子质量浓度通过ICP-OES电感耦合等离子体发射光谱仪确定,样品测量前通过0.45μm无机滤膜过滤;SEM通过FEI-Quanta200环境扫描电子显微镜测定,并利用自带能谱仪EDAX Genesis 2000 XMS Image 60S进行样品元素的定性分析;利用ASAP2020M全自动比表面积及孔隙度分析仪在77 K氮气实验条件下分析ACF表面的吸附量和脱附量.XRD采用日本岛津6100型X射线衍射仪测定.
2 结果与讨论 2.1 ACF表面特性 2.1.1 BET结果分析图 1为ACF的孔径分布等温线,3种ACF的孔径主要分布在1~20 nm,有利于ACF对重金属离子的吸附去除.同时,3种ACF的氮气吸附脱附曲线均属于国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)分类的Ⅰ型吸附等温线(插图),表明3种ACF的孔结构均以微孔为主,呈现较强的吸附作用.
由表 1可知,ACF存在发达的内部孔隙,具有较大的比表面积和孔容积,ACF-0比表面积可达1 281.57 m2/g,经HNO3及Fe改性后ACF的BET表面积、BJH平均孔径和孔容均有不同程度的变化.在常温条件作用下,浓HNO3可以溶解ACF表面部分灰分,有利于孔道结构的进一步拓展,但浓HNO3还可以腐蚀ACF结构,导致内部孔道结构产生部分塌陷,进而使改性后ACF的比表面积减少;而Fe改性ACF由于表面负载一层Fe物质,导致部分孔道堵塞[11-12],比表面面积、平均孔径和孔容均相应减少.
由图 2(a)可以看出,ACF-0本身存在少量的裂缝和细微的斑点,表面基本呈凹槽状,纤维表面整体上是平滑的.经过HNO3及Fe改性后ACF本身结构没有发生破坏,但其表面形貌发生了变化,表面本身的粗糙度增大,特别是Fe改性ACF-2,其表面包裹着直径约几百nm的白色絮状物,这与Xu等[13]观察到的吸附材料的表面负载现象一致,在载Fe活性炭去除高氯酸盐的实验中,通过SEM观察到活性炭表面存在一层尺寸保持在20~80 nm的纳米铁颗粒.
图 3为不同ACF的XRD图谱.3种ACF均出现了石墨化特征的衍射峰C(002) ,ACF经过HNO3及Fe改性后,衍射峰C(002) 的强度减弱,表现为宽而矮的特征,由此可知,ACF-1和ACF-2结晶程度较ACF-0有所降低,并呈现向右移动的趋势;同时,在2θ=44.8°处,三者均检测出一个较小的石墨平面峰C(101) ,经过HNO3及Fe改性的衍射峰C(101) 也有所下降,这两个衍射峰特性表明ACF是由部分石墨微晶构成的无定性区材料[14-16],改性过程本质上是孔的刻蚀过程.此外,Fe改性的ACF-2出现衍射峰Fe(311) ,该衍射峰为Fe3O4特征峰[16].
图 4为3种ACF对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)离子吸附量随时间变化规律.可以看出,吸附量随时间的增大而增大.对ACF-0,Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)离子在60 min时吸附基本达到平衡,吸附量可分别达11.48、5.07和2.24 mg/g,在随后吸附时间内基本保持恒定;相比ACF-0吸附过程,HNO3及Fe改性ACF的吸附平衡时间增长,吸附量增大,这主要是因为HNO3及Fe改性可以增加ACF表面羧基和酚羟基等酸性含氧官能团的数量,进而强化ACF与阳离子之间的离子交换反应,而ACF-2制备过程中NaOH溶液的加入可以中和部分羧基和酚羟基,使其与阳离子之间相互作用弱于ACF-1,吸附量相应降低.
pH会通过影响重金属离子形态以及氢氧根与重金属离子之间的配位作用而改变重金属离子和吸附剂之间的相互作用[17].图 5为重金属离子吸附过程中pH的变化.可以看出,ACF-0和ACF-2的pHPZC保持在3.66~5.5,而ACF-1的pHPZC保持在2.83~3.66.图 6为不同初始pH条件下,不同活性炭纤维对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)去除效果的变化.可以看出,随着初始pH的增大,去除率均呈上升趋势.当初始pH≥6.94时,Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)离子去除效果趋于稳定,去除率保持在95%左右.3种吸附剂ACF-0、ACF-1和ACF-2对Co(Ⅱ)的去除率分别由7.34%增加为83.43%、7.43%增加为76.25%和6.53%增加为83.61%.这主要是由于pH会影响Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)在水环境中的存在形态,当pH小于6时,3种重金属主要以离子形式存在,随着pH的增大,PbOH+、CuOH+和CoOH+形式会产生,然后重金属离子将以沉淀形式存在[18-20].
在重金属离子Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)初始质量浓度均在5~30 mg/L的条件下,开展多种污染物在ACF-0、ACF-1和ACF-2 3种类型活性炭纤维上的竞争吸附实验,结果见图 7.ACF-0、ACF-1和ACF-2均能够同时吸附Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ),其中,ACF-0、ACF-1和ACF-2的亲和力顺序均为Pb(Ⅱ) > Cu(Ⅱ) > Co(Ⅱ),这与离子电负性大小相一致(Pb(2.33) >Cu(1.90)>Co(1.88))[21].同时,随着平衡质量浓度的增加,Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)两者的吸附量随之增大,而Co(Ⅱ)由于与ACF亲和力最低,吸附位点被Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)离子占据,致使其吸附量增幅缓慢,甚至出现吸附量下降的现象(图 7(a)、(b)).其他竞争吸附实验中也观察到类似现象[22],在CNTs竞争吸附Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)实验中,Cd(Ⅱ)亲和力最小,其在平衡质量浓度为2.9 mg/L时,吸附量最大,为7.1 mg/g,然后随着平衡质量浓度的增大,吸附量下降.
利用Langmuir和Freundlich吸附等温线模型对实验数据进行拟合,相关参数比较见表 2.ACF-0、ACF-1和ACF-2 3种吸附剂对Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的吸附过程能够利用等温线模型进行模拟,其中Langmuir相关性R2(> 0.98)值略大于Freundlich相关性R2(> 0.95) ,其拟合结果与实验数据相吻合,而Co(Ⅱ)在Langmuir和Freundlich吸附等温线模型中的相关性分别为0.173 3和0.049 8,相关性较差,由此可知,在竞争吸附过程中,由于Co(Ⅱ)与ACF亲和力差,吸附过程受Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)影响较大,无法利用Langmuir和Freundlich模型拟合.由表 2 Langmuir数据分析可知,HNO3及Fe改性能够有效提高ACF对重金属离子的去除效果,3种吸附剂对Pb(Ⅱ)和Co(Ⅱ)去除效果大小为ACF-1 > ACF-2 > ACF-0,而对Cu(Ⅱ)去除效果大小为ACF-2 > ACF-0 > ACF-1.总体来讲,HNO3改性ACF对重金属离子去除效果最好,其对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)的吸附量分别可达38.61、11.29和4.88 mg/g.
此外,利用0.1 mol/L HCl对3种ACF进行解吸处理,通过对比5次重复吸附实验效果考察3种吸附剂重复使用效率,结果表明3种ACF均具有较好的重复使用性.以Pb(Ⅱ)为例,其吸附量分别由第1次的19.61、38.61和28.17 mg/g下降到第5次的16.76、34.21和21.13 mg/g,仍保持较高去除效能.
3 结论1) ACF均具有较大的比表面积和孔容积,HNO3改性ACF由于能够腐蚀活性炭纤维内部孔道使比表面有所减少,而Fe改性ACF由于孔道堵塞使比表面有所下降;ACF是由部分石墨微晶构成的无定性区材料,HNO3及Fe改性使ACF结晶程度降低.
2) ACF对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)的吸附在60 min基本达到平衡,HNO3及Fe改性ACF的吸附平衡时间有所增长;随着初始pH的增大,3种ACF对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)的去除效率增加.
3) ACF均能够同时吸附Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ),随着平衡质量浓度的增加,Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)两者的吸附量随之增大;而Co(Ⅱ)由于与ACF亲和力最低,吸附位点被Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)占据,致使其吸附量增幅缓慢,甚至出现吸附量下降的现象.
4) HNO3及Fe改性能够强化ACF对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)的吸附效果,除Co(Ⅱ)外,Langmuir和Freundlich模型的相关性R2 > 0.95,其拟合结果与实验数据相吻合.
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