不同吸附剂对水溶液中锌离子吸附性能的影响
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摘要：以连云港海域中的海洋沉积物和废弃的木屑作为吸附剂，对水中Zn2+进行了吸附试验。研究了这两种吸附剂在改性前后吸附率的差异，探讨了吸附时间、吸附温度、pH、Zn2+浓度和吸附剂用量等因素对改性吸附剂吸附Zn2+的影响。试验结果表明改性后的这两种吸附剂具有较强的螯合和吸附作用，能有效地吸附锌离子，且价格低廉具有研究前景。
关键词：海洋沉积物；木屑；改性；锌离子；吸附
中图分类号：O657.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）23-5307-04
Adsorption Ability of Different Sorbent to Zn2+ in Water Solution
HAN Zhao-xiang，ZHU Ting，WU Dan-dan，ZHU Zhen，WU Jue
（School of Chemical Engineering， Huaihai Institute of Technology， Lianyungang 222005，Jiangsu，China）
Abstract： The marine sediment in Lianyungang sea area and waste sawdust were used as sorbent to adsorb Zn2+ in water. The adsorption rate of the two sorbent before and after modification was studied； and the effects of adsorption time， temperature， pH， Zn2+ concentration and sorbent dose on the adsorption ability to Zn2+ was discussed. The results showed that modified sorbent has strong chelating and adsorption ability， thus could adsorb Zn2+. These two sorbent was cheap and had research prospect.
Key words： marine sediments； wood； modified； zinc ions； adsorption
由于工业的快速发展，制革、电镀及锌盐生产等产生的废水造成了严重的锌污染，这种污染和其他重金属污染一样，会在人体和动植物体内沉积，造成不可估量的危害，严重影响人体的健康和动植物的生长，因此含锌废水的处理已受到人们的广泛关注[1]。采用海洋沉积物和木屑作为生物吸附材料，具有来源丰富、成本低、吸附速度快、吸附量大及选择性好等优点，通过改性处理以提高其吸附的效率，为重金属污染的治理提供了一条低成本、无毒副作用的有效途径。
1 材料与方法
1.1 试验仪器
TAS-990原子吸收分光光度计（北京普析）；TDL-5A台式低速大容量离心机（海悦丰仪器）；PHS-3C精密pH计（上海雷磁）；DHG-9240型电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒）；HZQ-C空气浴振荡器（哈尔滨东明）。
1.2 方法
1.2.1 溶液的配制 锌标准贮备液：称取六水合硝酸锌（优级纯）0.910 2 g，用去离子水溶解后，移入1 000 mL容量瓶中定容备用。锌标准液的配制：准确称取200 mL锌标准储备液于1 000 mL容量瓶中，加去离子水至标线，即浓度为20 mg/L的锌吸附液。在一定条件下进行吸附剂吸附锌离子的热力学和相关参数（如温度，吸附液pH）影响其吸附性能的试验。
1.2.2 吸附剂的采集 海洋沉积物采自连云港的近海海域；木屑为连云港某工地的废弃木屑。
1.2.3 吸附剂的改性 称取25.0 g已研磨过筛的海洋沉积物（或木屑）于500 mL三角瓶中，加入硫酸溶液200 mL，于水浴锅中恒温一段时间，冷却，滤出海洋沉积物（或木屑），去离子水洗至pH值为6，风干，称重，备用。
1.2.4 计算公式 吸附率（q）按q=■×100%计算；吸附容量（Q）按Q=■计算；
式中，C0为吸附前重金属离子的浓度（mg/L）；C为吸附后重金属离子的浓度（mg/L）；m为投加吸附剂的质量（g）；V为吸附溶液的体积（L）；q为吸附剂吸附率（%）；Q为单位重量吸附剂的吸附容量（mg/g）。
2 结果与分析
2.1 影响吸附剂改性效果的因素
在制备改性木屑时，硫酸浓度、温度及时间是影响其性能的主要因素[2]。因此，选择硫酸浓度分别为10%、20%和30%，温度为50、75和90 ℃，处理时间分别为1.0、1.5 和 2.0 h，按正交试验方案进行试验。选择最优条件对其进行处理。在木屑进行改性后，分别取0.50 g试样于100 mL锥形瓶中，加入25 mL已知浓度的锌离子溶液，置于恒温振荡器中进行振荡，所有试验的振荡速度均为200 r/min，经一定的温度和吸附时间处理后取出吸附液，经定量滤纸过滤后用原子吸收分光光度计测定吸附液中剩余的锌离子浓度。由表1可知，选用20%的硫酸于75 ℃处理2 h为最适宜条件。
2.2 改性前后吸附剂吸附锌离子特性
2.2.1 改性前后沉积物对锌离子的吸附能力比较 分别取未改性的沉积物和经过最优改性的沉积物样品0.50 g于100 mL锥形瓶中，加入25 mL已知浓度的锌离子溶液，置于恒温振荡器中进行振荡，振荡速度均为200 r/min，经一定的温度和吸附时间处理后取出吸附液，经定量滤纸过滤后用原子吸收分光光度计测定吸附液中剩余的锌离子浓度。由表2可知，沉积物在改性后，其吸附锌离子的能力明显提高。
2.2.2 改性前后木屑对锌离子的吸附能力比较 分别取未改性的木屑和经过最优改性的木屑样品0.50 g于100 mL锥形瓶中，加入25 mL已知浓度的锌离子溶液，置于恒温振荡器中进行振荡，振荡速度均为200 r/min，经一定的温度和吸附时间处理后取出吸附液，经定量滤纸过滤后用原子吸收分光光度计测定吸附液中剩余的锌离子浓度。结果由表3可知，木屑在改性后，其吸附锌离子的能力明显提高。
通过上述比较，不难发现沉积物和木屑在改性后，吸附锌离子的能力都有了明显的提高，且木屑的吸附率无论在改性前还是改性后，较沉积物的吸附率都大，是一种优于沉积物的吸附剂。
2.2.3 吸附时间对吸附能力的影响 吸附时间是影响吸附剂吸附锌离子的一个因素。将沉积物和木屑分成两组，每组分别取8个250 mL的锥形瓶分别放入25 mL锌标准溶液。吸附剂的投加量均为0.50 g，吸附温度为25 ℃，溶液pH 5.0，振荡速度为200 r/min，当吸附时间为2、5、10、30、60、120、180和360 min时取出并测定剩余锌离子浓度。
由图1和2可知，沉积物和木屑两种吸附剂对金属锌离子的吸附率随时间而增加，并都呈现出相同的趋势，但并不成线性关系，且木屑的吸附率较沉积物优越，随着吸附时间越来越充分。两种吸附剂对Zn2+的吸附容量随时间变化趋势较相似，在120 min内，两种吸附剂对Zn2+的吸附容量均上升较快，120 min后趋于缓慢，在180 min接近达到吸附平衡。
2.2.4 pH对吸附能力的影响 将沉积物和木屑分成两组，每组取7个300 mL的锥形瓶分别放入100 mL锌标准溶液。吸附剂投加量为0.50 g，吸附温度为25 ℃，吸附时间为2 h，振荡频率为200 r/min，pH分别为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0，测定剩余锌离子含量。
由图3可知，在pH值为2.0时，沉积物和木屑对金属锌的吸附作用不明显，对于两种不同的吸附剂，其pH的变化对吸附率的影响趋势大致相同，但pH在2～3范围时，沉积物的吸附率略小于木屑的吸附率，但当pH>3后，沉积物的吸附效果比木屑好。在pH≥5时，两者的吸附率基本都稳定，因此在进行其他对照试验时均取pH=5作为试验条件。
2.2.5 温度对吸附能力的影响 将试验分成两组，每组取5个100 mL的锥形瓶分别放入25 mL重金属标准溶液。吸附剂的投加量为0.50 g，吸附时间为2 h，振荡频率为200 r/min，pH为5.0，吸附温度分别为20、30、40、50和60 ℃，吸附后测定剩余锌离子的含量。由图4可知，温度对木屑吸附率有一定的影响，但影响不大。当温度由20 ℃上升到60 ℃时，沉积物的吸附率上升了21.2个百分点，木屑的吸附率上升了12.0个百分点。当温度升高时吸附率随之上升证明吸附过程为吸热过程，但由于温度对吸附效果的影响并不太明显，因此试验选择吸附温度为25 ℃。
2.2.6 吸附剂用量对吸附能力的影响 分两组试验，每组取8个250 mL的锥形瓶分别放入25 mL重金属标准溶液，吸附时间为2 h，振荡频率为200 r/min，pH为5，吸附温度为25 ℃，吸附剂的投加量分别为0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70和0.80 g，吸附后测定剩余锌含量。由图5和6可知，溶液中金属离子浓度一定时，增加吸附剂的用量，两种吸附剂对金属锌离子的吸附率随之提高，但单位质量的吸附剂吸附容量却下降，且当吸附剂的投加量达到一定量后，再继续增加吸附剂的量时吸附率的增加量减小，曲线的变化趋势趋于平缓。吸附率迅速增加是由于有更多可以利用的交换点位及更大的表面积，吸附容量下降是因为吸附位置没有达到饱和吸附[3]。
2.2.7 吸附液初始浓度对吸附能力的影响 将沉积物和木屑分成两组，吸附时间为2 h，振荡频率为200 r/min，pH为5，吸附温度为25 ℃，吸附剂的投加量为0.50 g，吸附液的初始浓度分别为10、20、30、40、50和60 mg/L，吸附后测定剩余金属锌的含量。由图7和8可知，随锌离子初始浓度的增加，两种吸附剂的吸附率均依次减小，但吸附剂对锌离子的吸附总量是增加的。表明溶液中锌离子浓度较小时，吸附剂上活性位点未达到饱和吸附，随着金属锌离子浓度的增加，活性位点逐渐趋于饱和。
3 结论
通过沉积物和木屑这两种吸附剂在改性前后对水溶液中重金属锌离子的吸附率的影响以及两种吸附剂的吸附试验，讨论了吸附时间、吸附温度、溶液pH、吸附剂用量、初始吸附液浓度对重金属锌离子的吸附情况，结论如下：
1）两种吸附剂进行改性处理后，其吸附锌离子的能力比未改性前有明显的提高。沉积物和木屑对水溶液中锌离子的吸附去除率与溶液的pH、吸附作用时间、吸附温度和初始浓度等因素有关。
2）沉积物和木屑的锌离子吸附去除率随时间增大逐渐增大，但当吸附达到饱和时，吸附量将不再增大，在曲线上反映出一个平台的趋势。吸附会在一段时间内达到平衡。
3）溶液的pH和温度对沉积物和木屑吸附去除锌离子的作用有较大影响，随着溶液pH升高，两者对锌离子的吸附量也快速增加。随着温度的升高，吸附率随之缓慢增大，当温度上升到某一值时，吸附率逐渐趋于平衡。
4）吸附剂的用量增加，吸附率增加而吸附容量减少。随着锌离子初始浓度的增加，沉积物和木屑对锌离子的吸附率均呈现下降的趋势，但这两种吸附剂对锌离子的吸附总量都是增加的。
5）利用沉积物和木屑吸附含锌废水，其工艺简单、去除效果较好，且吸附了锌离子的沉积物和木屑可用于制备轻质砖，避免锌离子对环境的二次污染。
参考文献：
[1] SHETA A S， FALATAH A M. Sorption characteristics of zinc and iron by natural zeoliteand bentonite[J]. Microporous and Mesoporous Materials，2003，61（1-3）：127-136.
[2] TSENG R L， TSENG S K. Pore structure and adsorption performance of the KOH-activated carbons prepared from corncob[J].Journal of Colloid and Interface Science，2005，287（2）：428-437.
[3] FLAVIANE VILELA PEREIRA.，LEANDRO VINICIUS ALVES GURGEL. Removal of Zn2+ from aqueous single metal solutions and electroplating wastewater with wood sawdust and sugarcane bagasse modified with EDTA dianhydride（EDTAD）[J]. Journal of Hazardous Materials，2010，176 （1-3）：856-863.