活性炭去除電池廢水中的鎘離子

　　隨著現代社會的飛速發展，人們對電子產品的需求越來越大。隨著電池數量的增加，化工廠在電池生產過程中排放的重金屬廢水也隨之增加。含重金屬廢水關系到生活環境的重大問題。鎘離子是化工廠在電池制造過程中產生的廢水中的主要有害物質，是一種毒性特別大的重金屬。本次研究的是處理含鎘離子的電池廢水處理，使用活性炭用氫氧化鉀和聚乙烯多胺改性來處理。

　　聚乙烯多胺是一種優異的聚合物，已廣泛用于制備陰離子交換樹脂、離子交換膜和潤滑油添加劑。近年來，聚乙烯多胺作為一種新型材料得到發展，具有親水性、環境友好性、吸附容量大、選擇性吸附性好、改性程度高等諸多優點。因此，我們聚乙烯多胺接枝到活性炭表面并引入具有吸附鎘離子的胺基團，不僅提高了活性炭對鎘離子的吸附能力，而且解決了聚乙烯多胺回收難、穩定性差的問題。改性活性炭有助于控制鎘離子污染，有助于活性炭的多元化開發利用，提高潛在經濟價值。本研究對改性活性炭對鎘離子的吸附，并對吸附過程進行了統計分析。

　　活性炭的吸附能力

　　改性后的活性炭對鎘離子的吸附量達到46毫克/克，多聚葡萄糖胺聚合物接枝在活性炭表面的吸附量達到36毫克/克，磷酸活化制備活性炭的吸附只有19毫克/克。可見，單純對活性炭進行酸堿改性或接枝改性并不能達到良好的吸附能力。在活性炭嫁接聚乙烯多胺的過程中，可以發現接枝聚乙烯多胺的量與吸附量成正比。但過量的聚乙烯多胺會阻塞活性炭的孔徑，導致孔隙塌陷，這進一步削弱了活性炭的吸附性能。活性炭的吸附位點當電池廢水樣品初始濃度一定時，吸附量在一定時間內增加，然后達到平衡。吸附容量在5-180分鐘隨時間增加，吸附容量在180分鐘時達到平衡。然而，容量在180-240分鐘時略微解吸。因此，180分鐘是平衡時間。當活性炭吸附鎘離子，其胺基和含O的官能團與鎘離子形成絡合物。pH值低時，由于溶液中存在大量氫離子，吸附劑表面的胺基體被質子化，失去絡合作用，對鎘離子產生靜電排斥力，降低了吸附劑的吸附量。對于吸附能力圖1中pH值的升高也促進了羧基的水解，提高了吸附劑的表面電負性，增加了鎘離子與吸附劑之間的靜電引力，促進了活性炭表面官能團與活性炭的絡合。隨著pH值的增加，活性炭表面負電荷量增加，金屬陽離子與其表面的靜電斥力降低，所以吸附能力增加了。pH值再次上升，溶液中有大量Cd(OH)形成，略微降低了活性炭對鎘離子的吸附能力。

　　圖1：(a、b)不同pH值對吸附劑的影響和不同pH值下的大吸附容量。

　　活性炭的吸附動力學研究

　　三種活性炭的的SEM形貌如圖2所示，活性炭表面有少量蜂窩狀或圓形孔隙，三種活性炭的形態都差不多。然而，有更多的蜂窩狀或圓形孔隙。活性炭和活性炭1的表面形態更光滑。活性炭2表面粗糙，部分孔隙結構輕微塌陷，呈不規則圓形孔隙;這種現象與內部孔隙結構的變化有關。活性炭2的表面被海綿狀沉積物覆蓋，這主要是由于聚乙烯多胺接枝在活性炭表面。改性活性炭為鎘離子提供了更多的吸附位點。

　　采用吸附動力學模型通常用于研究吸附容量與接觸時間之間的關系。吸附過程可以用不同的吸附機制來描述，如傳質、化學反應和粒子擴散。為了研究活性炭對鎘離子的吸附速率和機理，進行了動力學實驗。擬一級動力學方程和擬二級動力學方程用于模擬活性炭對鎘離子的吸附動力學。準一級動力學模型基于吸附的限制因素是吸附劑顆粒中的傳質阻力的假設。若吸附動力學數據擬合結果符合擬一級反應動力學，則吸附過程是擴散控制的，限速步驟是物理吸附。準二級動力學基于吸附的限制因素是化學吸附機制的假設，化學吸附機制通過在吸附劑和被吸附物之間共享或交換電子來控制吸附速率。金屬離子占據吸附劑活性位點的比率與未占據活性位點數的平方成正比。圖3顯示了吸附劑的動力學擬合結果。圖3(a)和3(b)分別顯示了偽一級動力學曲線和偽二級動力學曲線。

　　圖2：(a-c)三種活性炭的SEM光譜。

　　圖3：(a,b)改性活性炭的擬一級動力學吸附曲線和擬二級動力學吸附曲線。

　　活性炭的吸附-解吸循環的再生

　　改性活性炭的回收利用在實際應用中具有重要意義，因為它可以降低生產成本，節省時間。為了研究改性活性炭回收的重要指標，我們考慮了吸附劑活性基團的性質。在本研究中，對兩種改性后的活性炭進行再生。將0.1g改性活性炭吸附的鎘離子分別放入兩種溶液中，在恒溫震蕩器中放置6小時進行解吸再生。然后重復吸附和解吸實驗5次，樣品溶液再吸附鎘離子的溶解度為0.1g/L。圖4表明0.1mol/L聚乙烯多胺溶液是改性活性炭的合適再生劑，因為聚乙烯多胺具有很強的絡合能力，可以在不破壞吸附劑原有結構的情況下解吸金屬離子。這些結果證明活性炭不僅具有較高的去除率，而且具有良好的回收性能，具有良好的應用前景。

　　圖4：吸附解吸循環的再生實驗。

　　活性炭去除電池廢水中的鎘離子的研究中，活性炭經兩種活化劑改性，用于吸附去除廢水中的鎘離子。聚乙烯多胺負載到活性炭表面后，所有改性活性炭的比表面積都減小，但是活性炭的表面zeta電位增加。pH是影響鎘離子吸附的重要因素，當pH為6時，活性炭在水溶液中表現出很好的鎘離子吸附，吸附量也很高。整個吸附過程為化學過程，并且活性炭表現出良好的再生能力，經過四次循環循環后活性炭對鎘離子的吸附量仍保持在85%左右，表明改性活性炭是一種非常有前景的吸附材料。

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