一、前言

在眾多環(huán)境污染中，重金屬由于自身不能被自然降解，進(jìn)而易通過食物鏈進(jìn)入人體，嚴(yán)重危害人類健康，因此在水體中的污染越來越引起人們的注意。鉛、鎘、銅及其化合物因廣泛應(yīng)用于采礦、冶煉、電子、電鍍石油、肥料制造等行業(yè)，已成為污水中的重要污染源而備受人們的關(guān)注，在環(huán)保、衛(wèi)生、食品等部門世界各國均有嚴(yán)格的法規(guī)限制其允許量。

活性炭作為一種非極性吸附劑，來源豐富，是目前廢水處理中應(yīng)用廣的吸附劑之一。它具有良好的吸附性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，可以耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，能經(jīng)受水浸、高溫高壓作用，同時(shí)還可以活化再生。吸附法處理廢水的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用主要取決于活性炭制備材料的費(fèi)用，因此低能耗的材質(zhì)選擇用于制備活性炭成為目前研究的熱點(diǎn)。在此項(xiàng)工作中。波濤活性炭廠家研究了自制的石油焦活性炭對重金屬銅鉛鎘離子的吸附去除能力，測定了不同條件對活性炭吸附溶液中鉛鎘銅離子的影響，為處理微量重金屬廢水作出有意義的探索。現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：

一、pH對活性炭吸附鉛鎘離子的影響

活性炭表面各類含氧基團(tuán)、官能團(tuán)，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間點(diǎn)。pH值作為重要的介質(zhì)因素，不僅僅影響吸附點(diǎn)解離，而且影響重金屬離子的溶液化學(xué)水解，氧化還原反應(yīng)和沉淀。了解到一般工業(yè)廢水中重金屬離子的平均濃度為60mg/L，而當(dāng)重金屬離子初始濃度為60ppm時(shí)，金屬離子存在的pH范圍為1~7，因此本實(shí)驗(yàn)選擇在pH值3.0~6.5，結(jié)果如圖1所示。

從圖上可以看到當(dāng)溶液的pH在3.0~6.5之間時(shí)，隨著pH值升高，活性炭吸附容量升高，但是隨著pH的繼續(xù)升高，吸附容量反而降低。這是因?yàn)樵趐H值很小的時(shí)候，溶液中存在大量的H+離子，活性炭表面的-CHO、 -OH、-COOH、-C=O會(huì)跟溶液中的H⁺結(jié)合，改變了活性炭表面的親和性，此時(shí)，活性炭的有效活性中間點(diǎn)被H⁺占據(jù)，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，跟活性炭表面官能團(tuán)結(jié)合了的H⁺會(huì)發(fā)生離解，使得大量的活性中間點(diǎn)暴露在外面，重金屬離子將占據(jù)這些活性中間點(diǎn)而有效地被吸附，所以吸附量是隨著pH值的增加而加大的。但是隨著pH值繼續(xù)加大，溶液中的OH^-與金屬離子的化學(xué)作用力增加，導(dǎo)致吸附量的相對下降，因此本實(shí)驗(yàn)選擇較佳pH值為4.8。

二、溫度對活性炭吸附鉛鎘離子的影響

活性炭對重金屬的吸附作用實(shí)際為吸附和脫附兩個(gè)過程的競爭，一般吸附是放熱過程，低溫有利；而脫附是吸熱過程，高溫有利。本次模擬實(shí)驗(yàn)中固定其他條件（鉛鎘銅溶液100mL，pH4.8，初始濃度60 mg/L，活性炭用量0.3000g，恒溫振蕩2hrs），對20℃~70℃的吸附過程進(jìn)行了考察，結(jié)果如圖2所示。

從圖可以看出低溫時(shí)溫度對吸附容量影響不大，而且對重金屬的吸附可達(dá)很好的效果。因此從微觀的角度，溫度主要是影響分子的布朗運(yùn)動(dòng)，而本實(shí)驗(yàn)所用的活性炭是中孔徑的，能夠很有效地吸附溶液中的金屬離子，所以金屬離子能夠很好地進(jìn)入活性炭的孔隙達(dá)到吸附平衡。而當(dāng)溶液溫度較高（高于50℃）時(shí)，液相吸附熱雖然較小，但是由于分子熱運(yùn)動(dòng)的加劇，導(dǎo)致對吸附平衡的破壞，吸附容量有所減小，表現(xiàn)為物理吸附性能的特性。因此本實(shí)驗(yàn)過程選擇溫度為室溫25℃。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，重金屬離子的吸附量波動(dòng)變化不是很大，這說明自制活性炭適用于實(shí)際環(huán)境水樣中重金屬廢水的處理。

三、活性炭用量對活性炭吸附鉛鎘離子的影響

對于相同的溶液，隨著活性炭用量的增加，被吸附離子的相對濃度是降低的，吸附效果是增強(qiáng)的，但它的單位吸附量呈現(xiàn)減小的趨勢，活性炭的用量對吸附有一定的影響，為了探索它的影響，我們恒定其他條件（鉛鎘銅溶液100mL，pH4.8，初始濃度60mg/L，恒定室溫振蕩2hrs），分別稱取0.0500g，0.1000g，0.2000g，0.3000g的活性炭加入其中，分析結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨著活性炭投加量的加大其對溶液中金屬離子的吸附容量逐漸減少，對于相同投加量的活性炭對銅離子的吸附容量高，鉛離子次之，鎘離子少。對于一定濃度的鉛鎘銅離子來說，隨著活性炭用量的增加，各種離子的吸附效率也隨之增加，因?yàn)楫?dāng)原水中濃度一定時(shí)吸附劑量增加，可供吸附的活性位點(diǎn)增多，吸附劑上吸附的吸附質(zhì)相對量增加，則達(dá)到吸附平衡時(shí)，吸附質(zhì)的平衡濃度降低，因而吸附去除率升高，但吸附容量卻隨著吸附劑量增加而降低，其原因是吸附劑量增加，平衡濃度降低，單位吸附劑的相對吸附容量卻隨之下降。因此60mg/L的100ml溶液中，結(jié)合去除效果和吸附容量，活性炭的用量選擇為0.2000g。

四、吸附時(shí)間對活性炭吸附鉛鎘離子的影響

在活性炭的吸附過程中，振蕩時(shí)間對吸附效果也有較大的影響，溶液中的吸附質(zhì)占據(jù)活性中間點(diǎn)是一個(gè)漸進(jìn)的過程，即需要一定的時(shí)間來使吸附達(dá)到平衡，這一段時(shí)間即所謂的吸附平衡時(shí)間。只有達(dá)到了吸附平衡時(shí)間，活性炭才能較大限度的發(fā)揮效能。固定其他條件不變（鉛鎘銅溶液100mL，pH4.8，初始濃度60mg/L，活性炭用量0.2000g，恒定室溫），分別振蕩不同時(shí)間，結(jié)果見圖4。

可以看出，三種重金屬離子在活性炭上的吸附容量均隨吸附時(shí)間的增加而增加，但當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)60min左右時(shí)則基本不變。開始時(shí)吸附容量上升很快是因?yàn)榇藭r(shí)重金屬離子在活性炭上的吸附主要發(fā)生在外表面上，隨著吸附的進(jìn)行，吸附質(zhì)逐漸由大孔經(jīng)過過渡孔深入到微孔中，重金屬在內(nèi)孔中傳質(zhì)速度逐漸減慢，吸附容量隨時(shí)間緩慢增加，直至達(dá)到吸附平衡。因此，在靜態(tài)吸附影響因素的實(shí)驗(yàn)中取振蕩時(shí)間為60min，而在等溫吸附實(shí)驗(yàn)中，為了確保吸附充分達(dá)到平衡，取振蕩時(shí)間為24hrs。

五、吸附性能及機(jī)理分析

靜態(tài)吸附容量也是描述和預(yù)測活性炭的吸附性能的重要指標(biāo)，因此根據(jù)活性炭吸附前后樣品濃度的變化，選用Freundlich模型和Langmuir模型來進(jìn)一步分析其吸附性能。在室溫的條件下，固定活性炭加入量0.2000g、pH4.8和震蕩時(shí)間24hrs等條件，對一系列不同濃度的重金屬離子進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，測試在吸附平衡后相對應(yīng)的溶液中金屬離子濃度，所得數(shù)據(jù)換算為吸附量，分別繪制了鉛鎘銅的吸附等溫線。鉛鎘銅金屬離子在活性炭上的吸附行為遵循Langmuir公式，并且在所考察的濃度范圍內(nèi)，吸附行為又符合Freundlich方程。其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1活性炭對重金屬離子的吸附模型參數(shù)

R2相關(guān)系數(shù)，F(xiàn)型和L型擬合相關(guān)均達(dá)到0.95以上，表明活性炭對金屬離子的吸附符合吸附等溫方程。根據(jù)L型模型，Qm是理論飽和吸附容量，b是Langmuir常數(shù)，與吸附能量有關(guān)，是表征吸附能力的常數(shù)，因此活性炭對金屬離子吸附容量和吸附能力大小順序?yàn)镃u²⁺>Pb²⁺>Cd²⁺。分析F型模型，n大則吸附趨勢大，即金屬離子濃度對吸附的影響趨勢是Cu²⁺>Cd²⁺>Pb²⁺；K值的大小可大致判斷吸附能力的強(qiáng)弱，吸附能力是Cu²⁺>Pb²⁺>Cd²⁺，與L型類似。

六、結(jié)論

1、經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)分析得出該活性炭吸附金屬離子的較佳條件：100mL溶液較佳pH值4.8，活性炭的投加量0.2000g；吸附過程受溫度影響不大，試驗(yàn)取室溫；如果工藝流程要求快速有效，時(shí)間可設(shè)定為60min，如果靜沉作為工藝流程之一，且要求高去除率，處理時(shí)間則設(shè)定為10~12小時(shí)。

2、吸附的機(jī)理一般為離子交換，化學(xué)反應(yīng)吸附或捕集物理吸附，由于活性炭吸附可以用F型和L型模型進(jìn)行較好的擬合，線性相關(guān)系數(shù)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，該吸附過程屬于物理吸附和化學(xué)吸附并存的物理運(yùn)動(dòng)過程，只要金屬鉛離子充分接觸活性炭表面并進(jìn)入空隙內(nèi)部就能有效地被吸附，但當(dāng)吸附到達(dá)一定的時(shí)間后，吸附運(yùn)動(dòng)基本達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。

3、活性炭對Pb²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺的較大吸附容量分別可達(dá)到52.54mg/g、35.65mg/g、57.05 mg/g；吸附能力大小順序?yàn)镃u²⁺>Pb²⁺>Cd²⁺；金屬離子濃度對吸附的影響趨勢是Cu²⁺>Cd²⁺>Pb²⁺。