活性炭吸附铜离子的研究.docx

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活性炭吸附铜离子的研究

摘要

每年大量含有多种重金属离子的工业废水的排放，这是因为冶炼、电解、医药、油漆、合金、电镀、纺织印染、造纸、陶瓷与无机颜料制造等行业的工业生产，通过饮水和食物链的生物积累、生物浓缩、生物放大等作用，废水中的重金属离子及其化合物在鱼类及其他水生生物体内富集，对人类和周围的生态环境造成严重的危害。

从工业污水中去除和选择性回收利用重金属是循环经济的内在要求，因吸附法成本低廉、操作简便、去除率高，在处理各种各样的重金属离子污水中，应用较广泛的方法之一。

本研究选择传统而应用广泛的活性炭作为吸附剂，选取吸附法为研究方向，展开活性炭吸附铜离子的研究。

此研究采用自行配制的CuSO4溶液进行实验，分别进行了活性炭吸附Cu2+的最适吸附温度及最佳pH值的探究实验，在最适温度及最佳pH值的条件下，进行了多组活性炭对初始浓度不同的CuSO4溶液的吸附实验。

实验表明，活性炭吸附重金属离子Cu2+溶液最佳pH值6.4。

在溶液温度为室温时（40℃），pH值为6.4的条件下，通过活性炭对多组初始浓度不同的CuSO4溶液的不同吸附时间的实验发现，随着吸附时间的增加，活性炭的吸附量逐渐增大，开始时溶液中重金属离子Cu2+的浓度下降很快，随着吸附的进行，活性炭吸附容量随时间缓慢增加，直至达到吸附平衡，吸附结果表明，活性炭对铜离子的吸附行为可用Langmuir模型来模拟，最大吸附量为6.78mg/g，吸附反应的半衰期为5.09min。

粉末状活性炭处理较低浓度（<100mg/l）的CuSO4溶液时，去除率均可达90%左右，但处理较高浓度（>500mg/l）的溶液时，除去率仅为40%至60%。

关键词:

重金属污染；铜离子；活性炭；吸附

AdsorptionofActivatedCarbonofcopperions

ABSTRACT

Avarietyofheavymetalionsinindustrialwastewateremissions,whichcontainsalargeamounteachyearbecauseofsmelting,electrolysis,pharmaceuticals,paints,alloys,electroplating,textileprintinganddyeing,paper,ceramicsandinorganicpigmentmanufacturingindustriessuchasindustrialproduction,throughdrinkingwaterandfoodchainorganismsaccumulation,bioconcentrationandbiomagnification,heavymetalionsandtheircompoundsinthewastewaterintheenrichmentoffishandotheraquaticorganisms,causingseriousharmtohumansandthesurroundingecologicalenvironment.Removalandselectiverecyclingofheavymetalsfromindustrialwastewaterisaninherentrequirementofthecirculareconomy,duetotheadsorptionoflow-cost,easytooperate,highremovalrate,indealingwithawidevarietyofheavymetalionsinwastewater,thewiderapplicationofthemethodone.

Inthisstudy,thetraditionalandwidelyusedactivatedcarbonasanadsorbent,selecttheadsorptionresearchdirection,expandtheactivatedcarbonadsorptionofcopperions.Thisstudyusesaself-preparedCuSO4solutionexperiments,activatedcarbonadsorptionofCu2+experimentstoexploretheoptimumadsorptiontemperatureandoptimumpH,optimumtemperatureandoptimumpHconditions,activatedcarbonontheadsorptionexperimentsofdifferentinitialconcentrationofCuSO4.

TheexperimentsshowthattheactivatedcarbonadsorptionofheavymetalionsCu2+solutionpHof6.4.Inthesolutionatroomtemperature,thepHvalueof6.4undertheconditionsoftheexperimentsfoundthatthetypeofadsorptiontimeforthepluralityofsetsofdifferentinitialconcentrationofCuSO4solutionbyactivatedcarbon,theadsorptionamountofactivatedcarbonastheadsorptiontimeincreasesgraduallyincreases,thestartoftheheavymetalionsCu2+concentrationinthesolutiondropsquicklyastheadsorptionofactivatedcarbonadsorptioncapacityincreaseslowlyovertimeuntilitreachestheadsorptionequilibrium.AdsorptionresultsshowedthattheactivatedcarbonadsorptionbehaviorofcopperionsLangmuirmodelcanbeusedtosimulatethemaximumadsorptioncapacityof6.78mg/g,theadsorptionreactionhalf-lifeof5.09min.Powderedactivatedcarbontreatmenttolowerconcentrations,CuSO4solution,theremovalratecanbeupto90%,butwhendealingwithhigherconcentrations,toremoveonly40%to60%

Keywords:

heavymetalpollution;copperions;activatedcarbon;adsorption

第一章绪论

1.1工业废水概述

工业废水（industrialwastewater），指工艺生产过程中排出的废水和废液，其中含有随水流失的工业生产用料、中间产物、副产品以及生产过程中产生的污染物，是造成环境污染，特别是水污染的重要原因。

根据污水中的主要成分，工业污水可分为有机污水、无机污水和综合污水。

有机污水是指污水中污染物主要是有机物；无机污水一般以无机污染物为主；综合污水是指污水中既有无机污染物，又含有有机污染物。

工业污水成分复杂多样，没有具体的数值,不同类型的工厂所含的污染物不一样。

重金属废水的来源有：

1.工业污染源。

重金属废水主要来自于电化学工业、原油工业、冶金工业、合成燃料工业和纺织工业。

例如选矿厂尾矿排水、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属加工厂酸洗水、电镀厂镀件洗涤水、钢铁厂酸洗排水[5]等等。

2.城市污染源。

公路沥青，汽车排放的尾气，汽车轮胎和刹车里衬的机械磨损，损坏的高压汞灯、霓虹灯、日光灯，房屋装修中塑钢门窗、不锈钢等的切割、打磨[6]都会向环境引入重金属，另外由于我国对废旧电池采用回收掩埋的处理方法，所以造成Hg、Pb、Cd、Mn等重金属进入环境，产生了二次污染。

重金属废水是公认的对环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水之一，它有三大显著特点：

①毒性强。

一般重金属产生毒性的范围在1.0-10mg/L之间，锡、汞等剧毒重金属的毒性浓度范围低至0.001-0.lmg/L。

②持续性。

废水中的重金属无论采用何种处理方法都不能使之降解，只能改变其化合价和存在形式。

③富集性。

重金属经生物可大量富集，例如铜的富集倍数可达上万倍，这些富集的重金属通过食物链，最终进入人体，严重威胁着人体健康。

随着国民经济的飞速发展和工业化进程的加快，由重金属引起的污染也日趋严重。

不仅表面水体存在着重金属污染，城市土壤、湿地、农田中的重金属含量也超标了。

仅以铜离子为例：

沈敏等[1]对长江下游沉积物中的Cu进行了全量和醋酸提取态分析，结果表明，Cu的质量分数近年来明显增加。

Li等[2]研究了滇池表面沉积物，发现其中Cu的含量高于背景值。

Chen等[3]对北京市的30家公园内土壤中所含重金属Cu的分析表明，综合污染指数范围为0.97-9.21。

近年来，国内外逐渐开发出有吸附能力的多种吸附材料，一类是以自然资源作为天然吸附材料，如腐植酸（HA）类物质、粘土（斜发沸石）、壳聚糖类、玉米棒子芯、白杨木材锯屑等；另一类是利用微生物作为生物吸附材料。

生物吸附剂是一种特殊的离子交换剂，与常规离子交换剂不同，起作用的是生物细胞，主要有菌体、藻类和细胞提取物等。

生物吸附剂具有其他吸附剂所不具有的的优点，例如：

原料的来源广、价格低、吸附能力强、易于分离回收重金属等特点，因此在国外已经被较为广泛应用。

但此法也存在一些问题：

吸附容量较易受环境因素影响，另外，生物吸附材料对重金属的吸附具有选择性，而重金属废水中往往含有多种重金属，应用上受到一定限制等。

1.2工业废水中重金属离子的处理方法

重金属是指密度大于5g/cm3、原子序数在24以上的金属，包括金、银、铜、铅、锌、镍、钴、镉、铬和汞等45种。

砷、硒是非金属，由于它们的毒性以及某些性质和重金属相似，所以将砷、硒列入重金属污染物范围内。

从环境污染方面所说的重金属主要是指生物毒性显著的汞、镉、铅以及类金属砷等重金属，还包括具有一定毒性的重金属如锌、铜、钴、镍、锡、钒等[4]。

目前，对含重金属离子的废水处理方法有三类：

第一类是利用化学反应除去废水中重金属离子；中和沉淀法、硫化物沉淀法、铁氧体共沉淀法、化学还原法、电化学还原法和高分子重金属捕集剂法等。

第二类是在不改变其化学形态的条件下对废水中的重金属离子进行吸附、浓缩、分离；主要包括吸附、溶剂萃取、蒸发和凝固法、离子交换和膜分离等。

第三类是通过借助微生物或植物的絮凝、吸收、积累、富集等作用去除废水中重金属；包括生物絮凝、生物化学法和植物生态修复等[5]。

1.2.1化学法