活性炭吸附重金屬離子的影響因素分析
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活性炭是含碳物質(zhì)經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤夂突罨玫降亩嗫谞钐蓟衔?。其?nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，使得每克活性炭的表面積可達(dá)1000m2，活性炭的較強(qiáng)吸附能力即在于它具有這樣大的吸附面積。
溶質(zhì)從水中移向固體顆粒表面，發(fā)生吸附，是水、溶質(zhì)和固體顆粒三者相互作用的結(jié)果。引起吸附的主要原因在于溶質(zhì)對(duì)水的疏水特性和溶質(zhì)對(duì)固體顆粒的高度親和力?；钚蕴繉?duì)離子的吸附過(guò)程主要有下列幾個(gè)步驟：（1）液膜擴(kuò)散，由流體主體擴(kuò)散至吸附劑表面；（2）孔擴(kuò)散，由吸附劑孔內(nèi)液相擴(kuò)散至吸附劑中心；（3）表面吸附反應(yīng)。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面官能團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)形成沉淀和絡(luò)合物或進(jìn)行離子交換等，故其不可能像有機(jī)物分子一樣在吸附劑表面以吸附態(tài)形式自由地遷移。因此，對(duì)于重金屬離子而言，認(rèn)為其吸附機(jī)理包括三個(gè)方面的過(guò)程：
（1）重金屬離子在活性炭表面沉積而發(fā)生的物理吸附；
（2）重金屬離子在活性炭表面可發(fā)生離子交換反應(yīng)；
（3）重金屬離子與活性炭表面的含氧官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)吸附。
2、提高活性炭吸附能力的措施
2.1改良活性炭
2.1.1采用表面改性劑
由以上分析知，活性炭表面的官能團(tuán)對(duì)其吸附特性會(huì)產(chǎn)生重大影響，通過(guò)研究其表面特性對(duì)不同物質(zhì)吸附性能的影響，并根據(jù)吸附質(zhì)的不同對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改性處理，可以顯著地提高吸附的適應(yīng)性和吸附效率。
采用濃HNO3對(duì)活性炭纖維進(jìn)行氧化改性，使得ACF表面含氧基團(tuán)包括酸性基團(tuán)明顯增加，對(duì)低濃度鉛離子的吸附效果很好，吸附速率也非?？欤狡胶鈺r(shí)間僅需5min，而且在pH值4-6之間保持著對(duì)鉛離子較高的吸附性能。
2.1.2改良制作工藝
在活化過(guò)程中，活性炭表面形成了對(duì)吸附有重大影響的表面氧化物。一般在300℃-500℃以下用濕空氣制造的活性炭中，酸性氧化物占優(yōu)勢(shì)；而在800℃-900℃下，用空氣、蒸汽或CO2為活化氧化劑制造的活性炭中，堿性氧化物占優(yōu)勢(shì)；在500℃-800℃之間則具有兩性性質(zhì)。因此，改良活性炭的制作工藝，優(yōu)化活性炭的表面氧化物類型，提升活性炭的吸附能力，使活性炭具有極性的性質(zhì)，易于吸附極性較強(qiáng)的重金屬離子等。
2.2調(diào)節(jié)溶液的pH值
活性炭對(duì)水中重金屬離子的吸附，受pH值影響較大，合理的調(diào)節(jié)pH值可以明顯地提高脫除效率。對(duì)活性炭吸附水中鉛離子進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)前，需先選擇合適的實(shí)驗(yàn)pH值范圍。在pH為2時(shí)，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(shí)，Pb2+與溶液中的OH-起沉淀反應(yīng)，溶液中Pb2+濃度變得很低，考慮到既要吸附效率高而又不發(fā)生沉淀反應(yīng)，因此其選擇動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)的pH=6。
2.3對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理
根據(jù)之前對(duì)活性炭吸附影響因素的分析，對(duì)水樣進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可以降低水樣中影響吸附的物質(zhì)的濃度，降低水的濁度等，使得活性炭對(duì)吸附重金屬離子的吸附更為有效，活性炭的工作周期變長(zhǎng)，提高活性炭的吸附效率。
3.1 pH 對(duì)吸附的影響
pH 是影響重金屬離子吸附的重要因素之一，它不僅決定重金屬離子的存在狀態(tài)，而且影響活性炭上活性基團(tuán)的性質(zhì)。張華制備柚皮基活性炭吸附Cr(Ⅵ) ，結(jié)果表明，隨著pH 升高，Cr(Ⅵ) 去除率逐漸降低。pH 不同Cr(Ⅵ) 的存在狀態(tài)不同，pH =1 時(shí)，Cr(Ⅵ) 以H2CrO4 形式存在，當(dāng)1＜pH＜5 時(shí)Cr(Ⅵ) 主要以HCrO4- 形式存在，當(dāng)pH 繼續(xù)升高，HCrO4- 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃rO42- 和Cr2O72- 。柚皮基活性炭的等電點(diǎn)為5. 67，當(dāng)1. 00＜pH＜5. 67 時(shí)，活性炭表面帶正電荷，對(duì)以陰離子存在的Cr(Ⅵ) 存在靜電引力，吸附量較高，且隨著pH 升高，活性炭表面的正電荷逐漸被中和，吸附率下降。而且在pH＜2 的強(qiáng)酸條件下，吸附在活性炭表面的Cr(Ⅵ) 可能被活性炭上的給電子體還原為Cr3+ 進(jìn)入溶液中( 靜電斥力存在) 。當(dāng)pH＞5. 67 時(shí)，活性炭表面帶負(fù)電，與同樣帶負(fù)電的Cr(Ⅵ) 陰離子產(chǎn)生排斥作用，并隨著pH 增加排斥作用愈明顯，去除率降低。
3. 2 溫度對(duì)吸附的影響
對(duì)于多數(shù)吸附材料而言，溫度是重要的影響因素。當(dāng)吸附為吸熱反應(yīng)時(shí)，隨著溫度升高吸附率增加，但超過(guò)一定溫度會(huì)使吸附材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而破壞重金屬離子與吸附材料絡(luò)合穩(wěn)定性，導(dǎo)致吸附率下降；反之，當(dāng)吸附為放熱反應(yīng)時(shí)，隨著溫度升高吸附率降低。Zabihi 等研究19、29、39℃下Hg2+ 濃度隨時(shí)間的變化，表明隨著溫度的升高，活性炭表面用于吸附的活性中心增加，內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)程加快致使Hg2+ 濃度下降，隨著溫度升高吸附率增加，但不同溫度下Hg2+ 濃度達(dá)到平衡的時(shí)間基本不變。
3. 3 濃度對(duì)吸附的影響
當(dāng)重金屬離子濃度較低，吸附材料表面的初始吸附位點(diǎn)較多時(shí)，吸附率較高；隨著離子濃度升高，吸附位點(diǎn)相對(duì)越來(lái)越少，離子之間競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致去除率下降。Huseyin 等研究Cd2+ 濃度變化對(duì)活性炭吸附效果的影響，隨著Cd2+ 濃度增大，吸附率下降而單位吸附劑的吸附量增加，這與活性炭表面的活性位點(diǎn)的數(shù)量與結(jié)合Cd2+ 的能力有關(guān)。
3. 4 投加量對(duì)吸附的影響
活性炭投加量在一定程度上決定重金屬離子的吸附量。隨著投加量的增大，重金屬離子去除率增加。Masood 等制備尼姆樹基活性炭吸附Ni2+ ，隨著活性炭投加量增加，Ni2+ 的去除率顯著增加。這是因?yàn)楫?dāng)溶液中重金屬離子濃度一定時(shí)，隨著投加量的增大，與重金屬離子結(jié)合的活性位點(diǎn)增多，去除率增加，溶液中重金屬離子濃度減少。
3. 5 吸附時(shí)間對(duì)吸附的影響
活性炭對(duì)重金屬離子的吸附需要一定的時(shí)間，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，吸附量基本保持穩(wěn)定。佟雪嬌制備花生秸稈炭和油菜秸稈炭吸附酸性電鍍廢水中的Cu2+ ，發(fā)現(xiàn)Cu2+ 的去除率隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速增大，8h 基本達(dá)到平衡，其后去除率增加很小。
3. 6 共存離子對(duì)吸附的影響
重金屬?gòu)U水中不可避免地共存著一些其他離子( Na+、K+、Ca2+ 等) ，當(dāng)這些離子達(dá)到一定濃度并繼續(xù)增大時(shí)，重金屬離子吸附量隨之降低，這可能與離子間競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合活性位點(diǎn)，以及重金屬離子有效濃度降低有關(guān)。張蕊用稻殼基活性炭吸附含Cu2+、Zn2+、Cd2+ 混合溶液，發(fā)現(xiàn)不同離子吸附量并不相同，而是按照Cu2+＞ Cd2+＞Zn2+ 順序，說(shuō)明活性炭對(duì)重金屬離子的吸附具有選擇性。
活性炭表面的理化性質(zhì)對(duì)重金屬離子的吸附性能影響很大。Zhang 等通過(guò)一系列物理、化學(xué)活化法制備甘蔗渣基活性炭，提出Pb2+ 的吸附量關(guān)于比表面積、平均孔徑、雜原子N、S、O、H 濃度和灰分的濃度的模型。模型表明，增加比表面積和孔徑有利于Pb2+ 的吸附，同時(shí)雜原子O、H 的存在賦予活性炭表面的酸性特征有利于低濃度、低pH 環(huán)境Pb2+ 的去除。此經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檫x擇合適的前驅(qū)體、優(yōu)化制備條件吸附Pb2+ 提供參考，但具有一定的局限性。如果能夠建立吸附量與活性炭的理化性質(zhì)的直接函數(shù)關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化制備工藝，改善表面理化特性，能夠顯著提高活性炭對(duì)重金屬離子的吸附能力。
五、總結(jié)概括
1、溫度達(dá)到30℃時(shí)，活性炭對(duì)4種金屬離子的吸附能力較佳。
2、活性炭投加量為6g時(shí)，其對(duì)這4種重金屬離子的吸附能力均已達(dá)到飽和，并且對(duì)Zn2+的吸附變化最顯著；
3、隨著pH的加大，活性炭的吸附量也在增加，當(dāng)pH>7時(shí)，隨著pH的增大，活性炭的吸附作用有所減弱，pH=7時(shí)，活性炭對(duì)溶液中重金屬離子的吸附能力強(qiáng)；
4、振蕩時(shí)間達(dá)到200min時(shí)，活性炭的吸附效果就達(dá)到飽和，其中，活性炭對(duì)4種重金屬離子吸附能力由強(qiáng)到弱依次為：Zn2+>Cd2+>Pb2+>Cu2+；