玉米芯粉体去除铬离子研究

玉米芯粉体去除铬离子研究玉米芯粉体去除铬离子研究 2016/05/10 河南农业大学学报2016年第一期摘要:以玉米芯粉体作为吸附剂，吸附处理含Cr(VI)模拟废水，研究了温度、接触时间、吸附剂用量、吸附剂粒径和废水初始pH值对玉米芯粉体吸附处理含Cr(VI)模拟废水的影响。结果表明:玉米芯粉体的吸附能力随着温度的增大而增大。吸附反应的前80min反应较为迅速。玉米芯用量为05g时去除率最大。随着玉米芯粉体粒径的减小，Cr(VI)离子去除率先增大后减小，粒径为00970105mm时单位吸附量达到最大。低的初始pH值有利于提高玉米芯吸附去除率，pH值为05时玉米芯粉体对Cr(VI)离子的去除率达到了99725%。关键词:玉米芯;粉体;六价铬离子;吸附随着化学工业的发展，重金属污染对人类健康和生态环境的影响日趋严重，对重金属废水的治理成为环境治理的一项重要内容。六价铬是来源于电镀厂、制革厂和某些化工厂的工业废水中广泛存在的重金属离子，有很强的毒性和致癌性12。去除Cr(VI)的主要方法有化学沉淀法、电化学沉淀法、吸附法、电渗析法、膜过滤法、反渗透法和离子交换法等。但这些方法在处理低浓度含Cr(VI)离子废水时，操作费用和原材料成本较高受到了限制36。吸附法是常用的一种去除低浓度重金属离子的方法，目前常用的吸附剂主要是活性炭，但其成本较高79。中国年产玉米量约为13亿t，副产物玉米芯约2000万t10。玉米芯表面有很多可以和重金属离子发生交换或化学吸附的官能团，如羟基、羧基和氨基等1113。因此，本研究利用玉米芯吸附去除Cr(VI)离子，分析影响其吸附能力的主要影响因素和影响规律，为将玉米芯应用于实际的高效廉价的吸附剂提供依据。1材料与方法11试验材料玉米芯取自河南周口，用去离子水清洗后置于鼓风干燥箱中于80下干燥6h，将烘干后的玉米芯去除头部和尾部，取中间部分粉碎过筛后分成不同等级，再次放入鼓风干燥箱中于80下干燥12h，取出置于干燥皿冷却备用。12试验仪器与试剂121仪器FZ102型微型植物粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)，高通万能粉碎机(北京科伟永兴仪器有限公司)，分样筛(浙江上虞市五四仪器筛具厂)，JJZZ4BC型电子天平(江苏省常熟市双杰测试仪器厂)，721型分光光度计(上海菁华科技仪器有限公司)，pH计(上海佑科仪器仪表有限公司)，HZQQ振荡器(哈尔滨东联电子技术开发有限公司)，TGL16C离心机(上海安亭科学仪器厂)122试剂重铬酸钾(K2Cr2O7，分析纯)，氢氧化钠(NaOH，分析纯)，硫酸(H2SO4，分析纯)，盐酸(HCl，分析纯)，磷酸(H3PO4，优级纯)二苯碳酰二肼(C6H5NHNHCONHNHC6H5，分析纯)，丙酮(CH3COCH3，分析纯)13试验方法131模拟废水制备准确称量120烘干2h重铬酸钾02829g，用去离子水溶解后移入1L的棕色容量瓶中，配制成1gL1的标准储备液，遮光保存备用，使用时稀释至所需要的质量浓度。132吸附试验根据各单因素试验条件，称取一定质量一定粉碎度的玉米芯粉体加入一定质量浓度(以Cr(VI)计)的100mLK2Cr2O7溶液于250mL锥形瓶中，根据实验调整pH值，加封口膜封口，置于一定温度一定转速下的摇床内进行吸附反应，分别反应不同的时间，用移液管吸取上清液后离心，在转速为5000rmin1条件下离心10min过滤，取上清液。按照二苯碳酰二肼分光光度法(GB74671987)测定Cr(VI)的质量浓度，试验重复3次，试验数据取3次试验的平均值。2结果与分析21温度对玉米芯吸附Cr(VI)的影响将05g粒度为01502mm的玉米芯粉体加入到100mL质量浓度为20mgL1，pH=7的Cr(VI)溶液中，置于转速为130rmin1的摇床中，分别在10、20、30、40、50不同的温度下进行吸附反应60min，测定吸附反应后的Cr(VI)含量，计算出单位吸附量和去除率如图1所示。由图1可知，在本试验条件和设定的温度范围内，玉米芯对Cr(VI)的吸附去除率和单位吸附量随着温度的增大而增加。当温度从温度为10上升到50时，玉米芯的单位吸附量从0211mgg1增大到温度为的0546mgg1，Cr(VI)去除率从5274%增大到13644%。分析认为温度较低时，玉米芯发生的主要是物理吸附，依靠的是分子间作用力，吸附热较小，而当温度升高时发生了由化学键引起的化学吸附，由于此化学吸附是吸热过程，因此温度升高有助于提高吸附效果。22吸附时间对玉米芯吸附Cr(VI)的影响将05g粒度为01502mm的玉米芯粉体加入到100mL质量浓度为20mgL1，pH=7的Cr(VI)溶液中，置于转速为130rmin1，温度为25的摇床中进行吸附反应，在反应进行至20、40、60、80、100、120min时取上清液。测定Cr(VI)含量，计算出单位吸附量和去除率如图2所示。由图2可以看出，在吸附时间为2040min内，单位吸附量和去除率分别从0323mgg1和8064%增大到0418mgg1和10455%，两者都增大较快，说明吸附速度较快。但是反应进行至40min和60min之间的时候，吸附速度放缓。反应进行至6080min之间的时候吸附速度重新增大，之后不再变化。分析认为玉米芯吸附Cr(VI)的吸附过程前40min可能主要是物理吸附，形成单分子吸附层和多分子吸附层，随着反应的进行在40min后开始进行解吸，从而表现出在4060min时单位吸附量和去除率增大放缓，反应进行到60min后化学吸附占据主要作用，单位吸附量和去除率又有了较大提高，80min后吸附达到平衡状态。23玉米芯用量对吸附去除Cr(VI)的影响将01、03、05、07、09、11g粒度范围为01502mm的玉米芯粉体加入到100mL质量浓度为20mgL1，pH=7的含Cr(VI)模拟溶液中，置于转速为130rmin1，温度为25的摇床中进行吸附反应，反应60min后取上清液测定Cr(VI)含量，计算出单位吸附量和去除率如图3所示。由图3可知，玉米芯的用量从01g增加到05g时，Cr(VI)去除率从13245%增大到22810%，继续增大玉米芯用量去除率反而减小，吸附剂的单位吸附率随着吸附剂用量增大而减小。原因可能是当玉米芯从01g增加到05g时，随着吸附剂量的增加，玉米芯提供了较多的吸附活性位点，到达05g达到吸附饱和。继续增加吸附剂量，吸附剂颗粒之间增大了碰撞和摩擦的几率，颗粒之间碰撞摩擦产生了剪切力大于物理吸附之间的分子引力，Cr(VI)从吸附位点脱落重新回到溶液中，从而导致去除率减小。可见吸附剂并不是越多去除效果越好，而是存在一个极值。24粒径对玉米芯吸附Cr(VI)的影响将05g粒径为00880097，00970105，01050125，01250150，01500200，02000450mm的玉米芯粉体分别加入到100mL质量浓度为20mgL1，pH=7的Cr(VI)溶液中，置于转速为130rmin1，温度为25的摇床中进行吸附反应，反应60min后取上清液。测定Cr(VI)含量，计算出单位吸附量和去除率如图4所示。由图4可以看出，随着玉米芯粒径的减小，单位吸附量和去除率都出现了先增大后减小的变化趋势。粒径范围为00970105mm的玉米芯达到最好吸附效果，其单位吸附量为0578mgg1，去除率为14441%。粒径继续减小至00880097mm时，单位吸附量和去除率反而降低至0514mgg1和12847%。分析认为当玉米芯粒径减小时，拥有了更大的比表面积，更多的吸附活性位点裸露出来，因此单位吸附率和去除率都增大，继续减小其粒径，小粒径的玉米芯表现出微尺度效应，发生团聚现象，团聚后活性位点减少，吸附效果变差。25模拟废水初始pH值对玉米芯吸附Cr(VI)的影响将05g粒度01502mm玉米芯粉体加入到装有用HCL和NaOH调整pH值为05、10、15、20、25、30的100mL质量浓度为20mgL1的Cr(VI)模拟废水溶液的锥形瓶中，置于转速为130rmin1，温度为25的摇床中进行吸附反应，反应60min后取上清液。测定Cr(VI)含量，计算出单位吸附量和去除率如图5所示。由图5可以看出，随着模拟的含Cr(VI)废水的初始pH值升高，Cr(VI)的去除率和玉米芯的单位吸附量呈现出下降趋势。其中，玉米芯的单位吸附量从pH值为05时的3989mgg1下降至pH值为3时的1853mgg1;去除率从pH值为05时的99725%下降至pH值为3时的46323%。这个结果与一些研究者利用其他的生物质材料进行吸附去除重金属离子的试验研究结果相同1415。对于玉米芯粉体吸附去除Cr(VI)来说，含Cr(VI)离子废水在较低的pH值时有利于吸附反应发生。3结论本研究利用玉米芯对模拟废水中的Cr(VI)离子进行吸附处理，对有可能影响其吸附能力的因素(温度、接触时间、吸附剂用量、吸附剂粒径和模拟废水的pH值)进行单因素试验，分析影响其吸附能力的主要影响因素以及吸附能力随这些因素的变化规律。结果表明:(1)玉米芯对Cr(VI)离子的吸附能力随着温度的增大而增大，其中吸附反应的前80min反应较为迅速，之后达到平衡状态;玉米芯添加量并非越多去除率越大，而是存在一个极值，在添加量为05g时，去除率最大;玉米芯的吸附能力随着粒径的减小先增大后减小，存在一个最好的吸附粒径范围即00970105mm;玉米芯的吸附能力随着pH值的增大而减小，说明低pH值有利于吸附反应进行。(2)在试验考察的5个因素中影响玉米芯粉吸附效果的最主要因素是溶液的初始pH值，当pH值为05时，玉米芯对Cr(VI)离子的吸附去除率达到99725%。因此，在利用玉米芯吸附去除废水中的Cr(VI)离子时，控制好合适的pH值就可以达到较高的去除效果，而其他能耗高的条件如提高温度、减小粒径等可以适当降低要求。