秸秆制备的吸附剂对酸性水体中镉离子的吸附研究

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摘 要：本文通过高锰酸钾和超声波的作用，使玉米秸秆和稻草秸秆得到预活化，再经过不同供氧条件下的高温煅烧使其炭化，从而得到吸附剂。探讨所制备的吸附剂对酸性水体中镉离子的吸附过程中，不同溶液pH值、不同吸附剂投加量两个因素对吸附率的影响。实验结果如下：在酸性水体中，随着pH值和吸附剂投加量的增加，制备的吸附剂对于Cd（Ⅱ）的去除率也随之增加。这研究使得废弃的农业秸秆资源化，创造经济效益，保护生态环境。

关键词：秸秆；吸附剂；pH值；吸附剂投加量

1 水体中镉的危害和污染现状

人体摄入镉的主要途径有饮用水、食物和呼吸。镉的生物半衰期长，一旦进入人体，从体内排出的速度很缓慢，容易在体内的肾脏、肝脏等部位积聚，对人体的肾脏、肝脏等都有较大的损害作用。长期饮用受镉污染的水和食物或吸入镉的烟尘可导致“骨痛病”。大量吸入镉蒸汽可引起气管炎、支气管炎以及肺气肿。

目前，我国镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万hm2，约占全国总耕地面积的20%，其中用镉污染水灌溉的农田面积达330多万hm2[1]，并且逐年扩大。不仅直接影响到当地群众的生活用水，还可能危害群众的生命财产安全。水资源是自然界中不可或缺的重要组成部分，是人类赖以生存以及生命活动的重要基础，同时，我国也是世界上水资源比较匮乏的国家，人均占有量不足世界平均水平的25%，但是，随着我国工业化进程的高速推进，各种污染物源源不断地被排到了河水中，导致水质量的不断恶化，严重影响了人民的生产生活。

2 我国农业秸秆资源与利用现状

中国作为一个农业大国，农作物的耕种面积居世界第一位，每年产生的秸秆量大约有7-8亿吨，其中稻草秸秆和玉米秸秆量最多[2]。当前，我国农作物秸秆的利用途径大致可分为四个方面[3]：一、农村生活能源，占45%；二、作为畜牧伺料，主要作为草食动物的词料，约占总量的31%；三、作为工业原料，主要是用于工业造纸，约占总量的2.3%；四、作为农业有机肥料，主要是指农业生产的有机肥。然而，剩下的未被利用的农业秸秆则被闲置浪费或就地焚烧，不仅导致了资源浪费，同时产生大量烟雾和CO、CO2等污染物，对环境造成了极大的污染。

3 吸附剂的制备

（1）配制5g/L的高锰酸钾溶液，称取一定量的秸秆，按秸秆量和高锰酸钾溶液量1：25的比例，放入塑料烧杯中，搅拌均匀；于超声波清洗器中超声5h；将超声后的材料抽滤，并用去离子水反复清洗，洗去残余的高锰酸钾溶液；将得到的材料于60℃下烘干。

（2）将烘干的材料分别置于空气氛围和隔绝氧（氮气氛围）中煅烧，升温程序：5℃/min，于500℃下煅烧3h。将煅烧所得材料用95%的乙醇和去离子水反复清洗，去除副产物；再将最终得到的材料在50℃下烘干至恒重，即可得到所需吸附剂。

4 吸附实验步骤

通过改变吸附溶液pH值、吸附剂投加量两个影响因素，考察吸附剂的吸附率性能：

在不同吸附溶液pH值条件下，实验条件设定为初始Cd2+浓度为100mg・L-1，溶液体积为20ml，吸附剂投加量为0.5g，在293K，转速为120rpm下处理8小时；吸附溶液pH值设定为2、4、6；

在不同吸附剂投加量条件下，实验条件设定为初始Cd2+浓度为100mg・L-1，溶液体积为20ml，在293K，转速为120rpm下处理8小时；吸附剂投加量设定为0.01、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5g；

5 吸附研究

吸附率，是反应吸附剂的吸附性能的一个重要指标，表示在吸附溶液中被吸附剂吸附的吸附质占总的吸附质的百分比，可依据溶液中剩余的重金属离子浓度与初始重金属离子浓度的比来推算，其计算公式为[4]：

其中：Pe―吸附剂的吸附率，%；

C0―溶液中吸附质的初始浓度，mg・L-1；

Ce―吸附平衡时溶液中吸附质的浓度，mg・L-1。

5.1 吸附溶液pH值对吸附过程的影响

图3-7 吸附溶液pH值对吸附率的影响

由上图，可以看出，在吸附溶液pH值为2时，除了空气氛围煅烧玉米秸秆外，其他秸秆对于镉离子的吸附率都较低；随着吸附溶液pH值的升高，各种秸秆对于镉离子的吸附率都快速升高；其原因为在pH较低的溶液中，H+的浓度较大，与Cd2+形成竞争吸附，导致吸附剂对于水体中Cd2+的吸附率较低。

5.2 吸附剂投加量对吸附过程的影响

图3-8 吸附剂投加量对吸附过程的影响

从上图可以得出以下结论：在其他条件不变的前提下，随着吸附剂投加量的增加，各种吸附剂对于溶液中镉离子的吸附率是逐渐增加的。吸附率增加的现象，是由于随着吸附剂投加量的增加，吸附表面积也随着增加，导致提供给镉离子的吸附位置增加。同时，在空气氛围中煅烧得到的吸附剂的吸附性能优于在隔绝氧（氮气氛围）条件下煅烧的吸附剂。

6 结论

本研究通过将经预处理的玉米秸秆和稻草秸秆制备而成的吸附剂，对其吸附性能研究。主要的研究结果如下：在酸性水体中，随着pH值和吸附剂投加量的增加，各种吸附剂对于Cd（Ⅱ）的去除率也随之增加；在pH值为4-6的范围中，经过改性处理的吸附剂对水体中Cd（Ⅱ）的去除率接近100%。

参考文献：

[1]许延娜，牛明雷.我国重金属污染来源及污染现状概述[J].资源节约与环保，2013.

[2]谢光辉，王晓玉等.中国作物秸秆资源评估研究现状[J].生物工程学报， 2010.

[3]高志坚.玉米稻秆厌氧消化试验研究[D].北京：北京化工大学，2004.

[4]杨高文，袁荣鑫，叶琼.异薄荷醇黄原酸镍的配合物[J].无机化学学报，2005.

作者简介：

阮仲斌，1986.08，男，本科，籍贯：广东清远，主要研究方向：环境保护。