玉米芯粉體去除鉻離子研究范文

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《河南農業大學學報》2016年第一期

摘要:

以玉米芯粉體作為吸附劑，吸附處理含Cr(VI)模擬廢水，研究了溫度、接觸時間、吸附劑用量、吸附劑粒徑和廢水初始pH值對玉米芯粉體吸附處理含Cr(VI)模擬廢水的影響。結果表明:玉米芯粉體的吸附能力隨著溫度的增大而增大。吸附反應的前80min反應較為迅速。玉米芯用量為0．5g時去除率最大。隨著玉米芯粉體粒徑的減小，Cr(VI)離子去除率先增大后減小，粒徑為0．097～0．105mm時單位吸附量達到最大。低的初始pH值有利于提高玉米芯吸附去除率，pH值為0．5時玉米芯粉體對Cr(VI)離子的去除率達到了99．725%。

關鍵詞:

玉米芯;粉體;六價鉻離子;吸附

隨著化學工業的發展，重金屬污染對人類健康和生態環境的影響日趨嚴重，對重金屬廢水的治理成為環境治理的一項重要內容。六價鉻是來源于電鍍廠、制革廠和某些化工廠的工業廢水中廣泛存在的重金屬離子，有很強的毒性和致癌性［1－2］。去除Cr(VI)的主要方法有化學沉淀法、電化學沉淀法、吸附法、電滲析法、膜過濾法、反滲透法和離子交換法等。但這些方法在處理低濃度含Cr(VI)離子廢水時，操作費用和原材料成本較高受到了限制［3－6］。吸附法是常用的一種去除低濃度重金屬離子的方法，目前常用的吸附劑主要是活性炭，但其成本較高［7－9］。中國年產玉米量約為1．3億t，副產物玉米芯約2000萬t［10］。玉米芯表面有很多可以和重金屬離子發生交換或化學吸附的官能團，如羥基、羧基和氨基等［11－13］。因此，本研究利用玉米芯吸附去除Cr(VI)離子，分析影響其吸附能力的主要影響因素和影響規律，為將玉米芯應用于實際的高效廉價的吸附劑提供依據。

1材料與方法

1．1試驗材料玉米芯取自河南周口，用去離子水清洗后置于鼓風干燥箱中于80℃下干燥6h，將烘干后的玉米芯去除頭部和尾部，取中間部分粉碎過篩后分成不同等級，再次放入鼓風干燥箱中于80℃下干燥12h，取出置于干燥皿冷卻備用。

1．2試驗儀器與試劑

1．2．1儀器FZ102型微型植物粉碎機(天津市泰斯特儀器有限公司)，高通萬能粉碎機(北京科偉永興儀器有限公司)，分樣篩(浙江上虞市五四儀器篩具廠)，JJZZ4BC型電子天平(江蘇省常熟市雙杰測試儀器廠)，721型分光光度計(上海菁華科技儀器有限公司)，pH計(上海佑科儀器儀表有限公司)，HZQ－Q振蕩器(哈爾濱東聯電子技術開發有限公司)，TGL－16C離心機(上海安亭科學儀器廠)

1．2．2試劑重鉻酸鉀(K2Cr2O7，分析純)，氫氧化鈉(NaOH，分析純)，硫酸(H2SO4，分析純)，鹽酸(HCl，分析純)，磷酸(H3PO4，優級純)二苯碳酰二肼(C6H5NHNHCONHNHC6H5，分析純)，丙酮(CH3COCH3，分析純)

1．3試驗方法

1．3．1模擬廢水制備準確稱量120℃烘干2h重鉻酸鉀0．2829g，用去離子水溶解后移入1L的棕色容量瓶中，配制成1g•L－1的標準儲備液，遮光保存備用，使用時稀釋至所需要的質量濃度。

1．3．2吸附試驗根據各單因素試驗條件，稱取一定質量一定粉碎度的玉米芯粉體加入一定質量濃度(以Cr(VI)計)的100mLK2Cr2O7溶液于250mL錐形瓶中，根據實驗調整pH值，加封口膜封口，置于一定溫度一定轉速下的搖床內進行吸附反應，分別反應不同的時間，用移液管吸取上清液后離心，在轉速為5000r•min－1條件下離心10min過濾，取上清液。按照二苯碳酰二肼分光光度法(GB7467—1987)測定Cr(VI)的質量濃度，試驗重復3次，試驗數據取3次試驗的平均值。

2結果與分析

2．1溫度對玉米芯吸附Cr(VI)的影響將0．5g粒度為0．15～0．2mm的玉米芯粉體加入到100mL質量濃度為20mg•L－1，pH=7的Cr(VI)溶液中，置于轉速為130r•min－1的搖床中，分別在10、20、30、40、50℃不同的溫度下進行吸附反應60min，測定吸附反應后的Cr(VI)含量，計算出單位吸附量和去除率如圖1所示。由圖1可知，在本試驗條件和設定的溫度范圍內，玉米芯對Cr(VI)的吸附去除率和單位吸附量隨著溫度的增大而增加。當溫度從溫度為10℃上升到50℃時，玉米芯的單位吸附量從0．211mg•g－1增大到溫度為的0．546mg•g－1，Cr(VI)去除率從5．274%增大到13．644%。分析認為溫度較低時，玉米芯發生的主要是物理吸附，依靠的是分子間作用力，吸附熱較小，而當溫度升高時發生了由化學鍵引起的化學吸附，由于此化學吸附是吸熱過程，因此溫度升高有助于提高吸附效果。

2．2吸附時間對玉米芯吸附Cr(VI)的影響將0．5g粒度為0．15～0．2mm的玉米芯粉體加入到100mL質量濃度為20mg•L－1，pH=7的Cr(VI)溶液中，置于轉速為130r•min－1，溫度為25℃的搖床中進行吸附反應，在反應進行至20、40、60、80、100、120min時取上清液。測定Cr(VI)含量，計算出單位吸附量和去除率如圖2所示。由圖2可以看出，在吸附時間為20～40min內，單位吸附量和去除率分別從0．323mg•g－1和8．064%增大到0．418mg•g－1和10．455%，兩者都增大較快，說明吸附速度較快。但是反應進行至40min和60min之間的時候，吸附速度放緩。反應進行至60～80min之間的時候吸附速度重新增大，之后不再變化。分析認為玉米芯吸附Cr(VI)的吸附過程前40min可能主要是物理吸附，形成單分子吸附層和多分子吸附層，隨著反應的進行在40min后開始進行解吸，從而表現出在40～60min時單位吸附量和去除率增大放緩，反應進行到60min后化學吸附占據主要作用，單位吸附量和去除率又有了較大提高，80min后吸附達到平衡狀態。

2．3玉米芯用量對吸附去除Cr(VI)的影響將0．1、0．3、0．5、0．7、0．9、1．1g粒度范圍為0．15～0．2mm的玉米芯粉體加入到100mL質量濃度為20mg•L－1，pH=7的含Cr(VI)模擬溶液中，置于轉速為130r•min－1，溫度為25℃的搖床中進行吸附反應，反應60min后取上清液測定Cr(VI)含量，計算出單位吸附量和去除率如圖3所示。由圖3可知，玉米芯的用量從0．1g增加到0．5g時，Cr(VI)去除率從13．245%增大到22．810%，繼續增大玉米芯用量去除率反而減小，吸附劑的單位吸附率隨著吸附劑用量增大而減小。原因可能是當玉米芯從0．1g增加到0．5g時，隨著吸附劑量的增加，玉米芯提供了較多的吸附活性位點，到達0．5g達到吸附飽和。繼續增加吸附劑量，吸附劑顆粒之間增大了碰撞和摩擦的幾率，顆粒之間碰撞摩擦產生了剪切力大于物理吸附之間的分子引力，Cr(VI)從吸附位點脫落重新回到溶液中，從而導致去除率減小。可見吸附劑并不是越多去除效果越好，而是存在一個極值。

2．4粒徑對玉米芯吸附Cr(VI)的影響將0．5g粒徑為0．088～0．097，0．097～0．105，0．105～0．125，0．125～0．150，0．150～0．200，0．200～0．450mm的玉米芯粉體分別加入到100mL質量濃度為20mg•L－1，pH=7的Cr(VI)溶液中，置于轉速為130r•min－1，溫度為25℃的搖床中進行吸附反應，反應60min后取上清液。測定Cr(VI)含量，計算出單位吸附量和去除率如圖4所示。由圖4可以看出，隨著玉米芯粒徑的減小，單位吸附量和去除率都出現了先增大后減小的變化趨勢。粒徑范圍為0．097～0．105mm的玉米芯達到最好吸附效果，其單位吸附量為0．578mg•g－1，去除率為14．441%。粒徑繼續減小至0．088～0．097mm時，單位吸附量和去除率反而降低至0．514mg•g－1和12．847%。分析認為當玉米芯粒徑減小時，擁有了更大的比表面積，更多的吸附活性位點裸露出來，因此單位吸附率和去除率都增大，繼續減小其粒徑，小粒徑的玉米芯表現出微尺度效應，發生團聚現象，團聚后活性位點減少，吸附效果變差。

2．5模擬廢水初始pH值對玉米芯吸附Cr(VI)的影響將0．5g粒度0．15～0．2mm玉米芯粉體加入到裝有用HCL和NaOH調整pH值為0．5、1．0、1．5、2．0、2．5、3．0的100mL質量濃度為20mg•L－1的Cr(VI)模擬廢水溶液的錐形瓶中，置于轉速為130r•min－1，溫度為25℃的搖床中進行吸附反應，反應60min后取上清液。測定Cr(VI)含量，計算出單位吸附量和去除率如圖5所示。由圖5可以看出，隨著模擬的含Cr(VI)廢水的初始pH值升高，Cr(VI)的去除率和玉米芯的單位吸附量呈現出下降趨勢。其中，玉米芯的單位吸附量從pH值為0．5時的3．989mg•g－1下降至pH值為3時的1．853mg•g－1;去除率從pH值為0．5時的99．725%下降至pH值為3時的46．323%。這個結果與一些研究者利用其他的生物質材料進行吸附去除重金屬離子的試驗研究結果相同［14－15］。對于玉米芯粉體吸附去除Cr(VI)來說，含Cr(VI)離子廢水在較低的pH值時有利于吸附反應發生。

3結論

本研究利用玉米芯對模擬廢水中的Cr(VI)離子進行吸附處理，對有可能影響其吸附能力的因素(溫度、接觸時間、吸附劑用量、吸附劑粒徑和模擬廢水的pH值)進行單因素試驗，分析影響其吸附能力的主要影響因素以及吸附能力隨這些因素的變化規律。結果表明:(1)玉米芯對Cr(VI)離子的吸附能力隨著溫度的增大而增大，其中吸附反應的前80min反應較為迅速，之后達到平衡狀態;玉米芯添加量并非越多去除率越大，而是存在一個極值，在添加量為0．5g時，去除率最大;玉米芯的吸附能力隨著粒徑的減小先增大后減小，存在一個最好的吸附粒徑范圍即0．097～0．105mm;玉米芯的吸附能力隨著pH值的增大而減小，說明低pH值有利于吸附反應進行。(2)在試驗考察的5個因素中影響玉米芯粉吸附效果的最主要因素是溶液的初始pH值，當pH值為0．5時，玉米芯對Cr(VI)離子的吸附去除率達到99．725%。因此，在利用玉米芯吸附去除廢水中的Cr(VI)離子時，控制好合適的pH值就可以達到較高的去除效果，而其他能耗高的條件如提高溫度、減小粒徑等可以適當降低要求。

作者：岳建芝 杜金宇 李剛 李潤娟 張志萍 寇秋娟 單位：河南農業大學生物質能源河南省協同創新中心 河南牧業經濟學院 鄭州信息科技職業學院機電工程系