改性生物吸附材料对废水中Cr6+的吸附性能研究

齐丹+王玉杰

摘 要：为使农林废弃物得到有效利用，减少资源浪费和环境污染，用酸溶液对木屑进行改性，研究改性前后对废水中Cr6+的吸附性能和吸附机理。研究结果表明：改性木屑的吸附性能明显优于未改性木屑。改性木屑最佳吸附平衡时间为1.5 h，且在pH小于4以下的酸性环境下表现出较强的吸附能力，对低浓度的含铬废水吸附效果更明显，吸附效果随着吸附剂投加量的增加先增高后逐渐达到平衡。通过吸附机理研究得出：木屑吸附动力学与Langmuir吸附等温模型相吻合。

关键词：改性 木屑 吸附 吸附性能

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0080-04

农林废弃物指农业和林业生产与加工过程中产生的副产品和废弃物[1]。作为生物质材料，廉价易得的农林废弃物主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，还含有少量粗蛋白、脂肪、单宁、生物碱、甾醇等[2-3]。这些物质中含有大量醇-OH、酚-OH、醚-O-、-NH2-、醛-CHO和酮-CO等极性基团，有助于吸附废水中的重金属离子[4]。尤其是在对它们改性处理后，对重金属废水的去除率更是明显提高[5-6]。我国对于农林废弃物的处理绝大部分是直接焚烧或填埋，只有小部分用于能源化、饲料、肥料和材料化应用中，对资源造成了浪费、对环境造成了污染。该实验研究改性木屑对废水中六价铬的去除效果，分析吸附剂投加量、pH值、吸附时间、铬离子初始浓度对吸附效果的影响，并对吸附机理进行研究。

1 材料和方法

1.1 实验材料

杉木木屑。

1.2 主要仪器设备

UV-2550型紫外可见分光光度计（岛津企业管理有限公司）；FA2204B型电子天平（上海精科天美仪器厂）；JJ-4型六联同步电动搅拌器（金坛市中央仪器厂）；TDL-80-2B型高速台式离心机（金坛市盛蓝仪器厂）；DEF-OB型真空干燥箱（金坛市盛蓝仪器厂）；SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 预处理

木屑除掉可见杂质，用一定浓度的NaOH溶液除色，并除掉上层浮渣。然后水洗至中性，抽滤，105 ℃干燥、冷却后粉碎过100目筛，备用。

1.3.2 改性

将经过预处理的木屑用10%的磷酸溶液加热煮沸，静置浸泡3 h后，用纯水洗至中性，于110 ℃干燥箱中干燥，取出冷却后过100目筛，即得到试验所需的改性木屑。

1.3.3 六价铬波长的扫描

50 mL具塞比色管中加入0.2 mL铬标准使用液，用纯水稀释到刻度，加入（1+1）硫酸和（1+1）磷酸各0.5 mL，摇匀，再加入2 mL显色剂，摇匀。10 min后，用紫外可见分光光度计扫描，确定显色波长。

1.3.4 六价铬的标准曲线绘制

方法同1.3.3，分别取铬标准使用液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进行显色反应，用紫外可见分光光度计于542 nm处扫描，绘制标准曲线。

1.3.5 单因素实验的设计

设定吸附时间、pH、吸附剂投加量、废水初始浓度4个单因素，每个单因素5个水平，考察不同吸附条件对铬离子去除率的影响。

（1） 取100 mL、100 mg/L模拟废水，分别投加改性和未改性吸附剂1 g，原水pH下，搅拌0.5 h，静置吸附时间设为0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h，离心分离，扫描计算去除率。

（2） 配置模拟废水浓度分别为50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L，各取100 mL，分别投加改性和未改性吸附剂1 g，原水pH下，搅拌0.5 h，静置吸附1 h，离心分离，扫描计算去除率。

（3） 取100 mL、100 mg/L模拟废水，分别投加改性和未改性吸附剂0.5 g、1 g、1.5 g、2 g、2.5 g，原水pH下，搅拌0.5 h，静置吸附1 h，离心分离，扫描计算去除率。

（4） 取100 mL、100 mg/L模拟废水，分别投加改性和未改性吸附剂1 g，pH分别调至2、4、6、8、10，搅拌0.5 h，静置吸附1 h，离心分离。再将离心上清液pH调至中性，扫描计算去除率。

1.3.6 吸附等温线拟合

室温条件下，称取各1 g木屑和改性木屑，分别投加到体积为100 mL，浓度分别为50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L的模拟废水中，搅拌0.5 h，静置吸附1.5 h，待所有溶液吸附达到平衡后，测定废水中剩余Cr6+浓度，分别做Langmuir式和Freundlich线性拟合。

2 结果与分析

2.1 Cr6+的光谱扫描

按1.3.3中试验方法扫描Cr6+的紫外可见吸收光谱，见图1。结果表明，在542 nm处有最大吸收峰，因此确定样品溶液吸光度波长为542 nm。

2.2 Cr6+标准曲线

按1.3.4中试验方法扫描绘制Cr6+标准曲线，见图2。

2.3 单因素实验结果及分析

2.3.1 静置吸附时间对Cr6+去除率的影响

按1.3.5（1）中试验方法，研究不同静置吸附时间对木屑和改性木屑吸附Cr6+的影响，结果见图3。

由图3可知：改性木屑在处理含Cr6+废水中的吸附性能明显优于未改性木屑。静置吸附时间对未改性木屑吸附能力的影响不是特别明显，只有小幅度地增加；而对改性木屑吸附能力影响较大，随着静置吸附时间的增加去除率明显升高，在1.5 h处，几乎达到吸附平衡。

2.3.2 废水初始浓度对Cr6+去除率的影响

按1.3.5（2）中试验方法，研究不同Cr6+初始浓度对木屑和改性木屑吸附Cr6+的影响，结果见图4。

由图4可知：废水初始浓度对木屑和改性木屑处理含Cr6+废水影响较大，随着污水中Cr6+初始浓度的增加两种吸附剂的去除率直线下降，改性木屑的吸附性能稍优于未改性吸附剂，因此改性木屑在低浓度含铬废水中吸附性能较好。

2.3.3 吸附剂投加量对Cr6+去除率的影响

按1.3.5（3）中试验方法，研究不同投加量对木屑和改性木屑吸附Cr6+的影响，结果见图5。

由图5可知：吸附剂投加量对木屑处理废水影响较为明显，且改性木屑吸附性能明显优于未改性木屑。改性木屑和未改性木屑均在投加1 g时表现出去除率不再明显升高的现象，且最高的去除率也只能达到25%左右，Cr6+未完全去除。根据现象，分析原因为在处理后期，当投加木屑较多时，由于木屑粒径太小，容易导致木屑结块在一起，影响吸附的进行。

2.3.4 pH值对Cr6+去除率的影响

按1.3.5（4）试验方法，研究不同pH对木屑和改性木屑吸附Cr6+的影响，结果见图6。

由图6可知：pH对木屑和改性木屑吸附Cr6+废水影响较大，均表现出在酸性条件下的处理效果优于碱性条件；改性木屑吸附性能明显优于未改性木屑。

2.4 吸附等温线绘制及拟合

按1.3.6中试验方法，根据反应前后重金属溶液的浓度差、反应体积、吸附剂用量计算出吸附剂的平衡吸附量，根据实验结果绘制等温吸附线，结果见图7。

木屑吸附废水中Cr6+的Langmuir和Freundlich等温吸附拟合曲线如图8和图9所示。

表1和表2分别计算并列出木屑吸附废水中Cr6+的Langmuir和Freundlich等温吸附拟合的相关参数。

由表1和表2可知，木屑吸附废水中Cr6+的吸附模型基本属于Langmuir吸附模型。相较于Freundlich吸附模型，Langmuir吸附模型的相关性较好，所以，木屑吸附废水中Cr6+属于Langmuir吸附，属于单分子层吸附。

3 结论

该试验通过用木屑和改性木屑作为新型生物吸附剂，对K2Cr2O7模拟工业废水中Cr6+进行吸附，得出以下结论。

（1）改性木屑作为新型生物吸附剂对重金属铬的吸附性能明显优于未改性木屑。

（2）对于木屑及改性木屑，平衡的吸附时间为在静置吸附1.5 h时，在低浓度废水中吸附效果明显优于高浓度废水中吸附的效果；当吸附剂投加量达到一定质量时，去除率不再明显上升；在酸性条件下吸附效果明显优于碱性条件下。

（3）在绘制吸附等温线的试验中，发现木屑及其改性均较符合Langmuir吸附模型。

4 结语

通过实验研究可知，木屑可以作为对重金属废水处理的新型生物吸附剂进行开发研究。同时，以林农废弃物作为原料，不仅减少了农林生产过程中产生的废弃物，减少了对资源的浪费和环境的污染，还有利于经济与环境的协调发展。

参考文献

[1] 官章琴.农林废弃物对废水中Cr（Ⅵ）、Cu2+、Zn2+、Pb2+的吸附特性研究[D].青岛：中国海洋大学，2010.

[2] 高振华，邸明伟.生物质材料及应用[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3] WANG J L，CHEN C.Biosorbents for heavy metals removal and their future[J].Biotechnology Advances， 2009（27）：195-226.

[4] 梁鹏，许娄金，柏松，等.农林废弃物对废水中铜离子吸附过程的研究[J].西南民族大学学报：自然科学版，2012，38（2）：263-268.

[5] 张庆芳，朱宇斌，李金平，等.板栗壳及核桃壳吸附剂的制备与应用[D].江苏科技大学，2014.

[6] 赵雪涛，郜洪文.锯末对Cu2+的吸附特性研究[J].环境科学，2010，31（1）：217-222.