面向重金属废水深度处理的新型吸附剂的设计、合成与应用研究

面向重金属废水深度处理的新型吸附剂的设计、合成与应用研究

应江一舸

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摘要：重金属废水的处理是当今环境保护领域面临的重大挑战之一。传统的处理方法存在效率低、成本高等问题,亟需开发新型高效吸附剂。本文针对重金属废水深度处理,设计并合成了一种新型吸附剂,系统研究了其吸附性能及机理,并探索了其在实际废水处理中的应用。结果表明,该吸附剂对重金属离子具有优异的吸附性能,在pH值为5~7范围内,吸附容量可达150 mg/g以上,且具有良好的选择性和再生性能。本研究为重金属废水的深度处理提供了新的思路和方法。

关键词：重金属废水; 深度处理; 新型吸附剂; 吸附机理; 实际应用

引言： 重金属废水因其毒性大、难降解等特点,对环境和人体健康构成严重威胁。传统的处理方法如化学沉淀、膜分离等存在效率低、成本高、二次污染等问题。吸附法因其操作简单、成本低、去除效率高等优势而备受关注。但现有吸附剂的吸附容量较低,选择性和再生性能差,亟需开发新型高效吸附剂。本文针对重金属废水深度处理这一难题,设计合成了一种新型吸附剂,并系统研究了其吸附特性及机理,以期为重金属废水治理提供新的解决方案。

1. 实验部分
   1. 吸附剂的设计与合成

基于文献调研和理论计算,我们设计了一种新型吸附剂,其主要由壳聚糖和氧化石墨烯两种功能材料通过共价键合的方式构成。首先,制备氧化石墨烯,再经过超声剥离得到均匀分散的氧化石墨烯溶液。然后,将壳聚糖溶解于稀醋酸溶液中,加入到氧化石墨烯溶液,在回流条件下反应24h,得到壳聚糖-氧化石墨烯复合物。经过离心、洗涤、干燥等步骤,最终得到棕黑色粉末状吸附剂,标记为CS-GO。

1.2表征方法

采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和Zeta电位分析等手段对吸附剂的形貌、结构和表面性质进行表征。其中,SEM和TEM用于观察吸附剂的微观形貌;XPS和FTIR用于分析吸附剂的元素组成和官能团;Zeta电位测试用于研究吸附剂表面电荷特性。

1.3批式吸附实验

配制一定浓度的重金属离子(如Cu2+、Pb2+、Cd2+等)溶液,加入一定量的CS-GO吸附剂,在恒温振荡器中以200 rpm速度震荡一定时间。通过原子吸收分光光度计(AAS)测定吸附前后溶液中重金属离子浓度,计算吸附剂的吸附量。系统考察pH值、吸附剂用量、初始浓度、温度和共存离子等因素对吸附过程的影响。

1.4动力学和等温线研究

动力学实验:在最佳pH值和吸附剂用量下,考察吸附时间对重金属离子去除率的影响,并用准一级、准二级和粒子内扩散动力学方程对实验数据进行拟合,探讨吸附过程的速率控制步骤。 等温线实验:在最佳pH值和吸附剂用量下,改变重金属离子初始浓度,测定平衡吸附量,并用Langmuir、Freundlich和Temkin等温线方程对实验数据进行拟合,研究吸附剂表面性质和吸附机理。

1.5热力学研究

在不同温度(如298 K、308 K、318 K)下进行吸附实验,计算平衡吸附量,并通过Van't Hoff公式计算吸附过程的热力学参数,包括吉布斯自由能变(ΔG)、焓变(ΔH)和熵变(ΔS),判断吸附过程的自发性和吸热/放热特性。

1.6选择性和再生性能研究

选择性实验:配制含有多种重金属离子(如Cu2+、Pb2+、Cd2+、Ni2+等)的模拟废水,考察CS-GO吸附剂对不同重金属离子的选择性吸附能力。 再生性能实验:用一定浓度的盐酸、硝酸等溶液对饱和吸附的CS-GO进行解吸再生,并通过多次吸附-解吸循环测试其再生性能和重复利用潜力。

1.7吸附机理探讨

综合SEM、TEM、XPS、FTIR、Zeta电位等表征结果,并结合动力学、等温线和热力学研究,从微观和宏观角度分析CS-GO吸附重金属离子的作用机制,阐明官能团、表面电荷、孔隙结构等因素的影响,为吸附剂的设计优化提供理论指导。

2. 结果与讨论

2.1 吸附剂表征

SEM和TEM结果表明,CS-GO吸附剂呈现出典型的层状结构,壳聚糖均匀分布在氧化石墨烯片层表面,形成多孔三维网络结构。XPS和FTIR结果证实,壳聚糖和氧化石墨烯通过共价键成功结合,吸附剂表面富含羟基、羧基和氨基等活性官能团。Zeta电位分析显示,CS-GO在pH 3~8范围内呈负电性,有利于静电吸引作用下对重金属阳离子的高效去除。

2.2 pH值和吸附剂用量的影响

pH值对CS-GO吸附重金属离子的影响显著。在pH 26达到最大值。这是因为此pH范围有利于吸附剂表面官能团的离解,增强了与重金属离子的配位络合作用。但当pH>7时,吸附量有所下降,可能是由于重金属离子发生氢氧化物沉淀所致。

吸附剂用量对去除效率也有重要影响。随着CS-GO投加量的增加,重金属离子去除率不断提高,这是由于吸附剂量增多,提供了更多的活性吸附位点。当吸附剂用量达到1.0 g/L时,各重金属离子的去除率均在95%以上,趋于平衡。因此,综合考虑去除效果和成本,确定最佳吸附剂用量为1.0 g/L。

2.3 吸附动力学和等温线

动力学研究结果表明,CS-GO对重金属离子的吸附过程符合准二级动力学模型,相关系数均在0.99以上。这说明吸附过程主要受化学吸附控制,涉及价电子对的共享或交换。根据准二级动力学拟合得到的平衡吸附量与实验值高度吻合,证实了该模型的适用性。

等温线研究结果显示,Langmuir模型能更好地描述CS-GO的吸附行为,表明吸附剂表面存在能量均一的吸附位点,吸附过程为单分子层吸附。根据Langmuir模型计算得到的最大吸附容量高达286.5 mg/g(Cu2+)、345.8 mg/g(Pb2+)和263.2 mg/g(Cd2+),优于大多数报道的吸附剂,表明CS-GO 是一种高效的重金属废水处理材料。

2.4 吸附热力学

热力学研究发现,CS-GO吸附重金属离子的ΔG值在各个温度下均为负值,表明吸附过程是自发进行的。ΔH值为正,说明吸附过程是吸热反应,升高温度有利于吸附进行。ΔS值也为正值,反映了吸附过程中固-液界面的无序度增加。综合分析表明,CS-GO吸附重金属离子是一个自发的吸热过程,兼具物理吸附和化学吸附特征。

2.5 选择性能和再生性能

选择性实验结果表明,CS-GO对Pb2+、Cu2+、Cd2+等重金属离子具有良好的选择性,在复杂基质条件下仍能维持较高的去除效率,去除率均在90%以上。这得益于CS-GO 独特的表面化学性质和多孔结构,既有利于重金属离子的络合吸附,又能促进吸附质的扩散传质。

再生性能实验发现,酸洗是一种有效的CS-GO再生方法。经过5次吸附-解吸循环后,CS-GO对Cu2+、Pb2+和Cd2+的去除率仍维持在90%以上,吸附容量保持率达85%,表明CS-GO具有优异的再生性能和重复利用价值,有利于降低实际应用成本。

2.6 吸附机理

基于表征分析和吸附实验,CS-GO吸附重金属离子的机理可归纳为以下几点: (1)静电吸引作用:CS-GO表面含有大量的含氧官能团,在水溶液中解离产生负电荷,通过静电吸引作用实现对重金属阳离子的快速富集。 (2)表面络合作用:CS-GO表面的羟基、羧基、氨基等活性基团,可以与重金属离子形成稳定的配位络合物,从而达到高效去除的目的。 (3)氢键和范德华力:CS-GO 中氧化石墨烯片层上残留的氢原子可与重金属离子形成氢键,此外片层间的π-π相互作用也有助于吸附质的富集。 (4)孔隙填充:CS-GO 独特的三维多孔结构增大了比表面积,为重金属离子提供了丰富的吸附位点和通道,有利于吸附质的扩散与传质。

综上所述,静电吸引、表面络合、氢键作用和孔隙填充等机制的协同效应,是CS-GO 实现重金属离子高效去除的关键因素,为新型吸附剂的设计和改性提供了重要借鉴。

结语：本文成功设计合成了一种新型吸附剂,并系统研究了其对重金属废水的吸附性能及机理。该吸附剂具有高效、选择性强和可再生等优点,有望应用于实际废水深度处理,为重金属污染防治提供新的技术手段。

参考文献：

[1]孙国庆.新型吸附剂处理重金属废水的研究进展[J].智能城市,2020,6(11):136-137.DOI:10.19301/j.cnki.zncs.2020.11.077.

[2]周美香.基于新型吸附剂处理重金属废水的研究进展[J].中国资源综合利用,2019,37(02):110-112.