壳聚糖联合碱改性粉煤灰对重金属离子的吸附特性精Word格式文档下载.docx
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Keywords flyash;
modified;
heavymetalions;
adsorption
收稿日期:
2009-02-12;
修订日期:
2009-02-28
作者简介:
杨文澜(1981~,男,硕士,讲师,主要从事水污染防治的
研究。
E2mail:
ywlhp3004@hytc.edu.cn
粉煤灰可用于土壤、水泥添加剂及建筑用砖,但由于工业用煤量巨大,大量的煤灰难以处理,大量堆积,既占用土地,污染环境,又浪费资源。
粉煤灰主要由硅、铝氧化物和其他金属氧化物组成,这些氧化物表面存在大量的酸中心和碱中心,并有相当多的
表面羟基,可通过络合、离子交换及化学键合等机理吸附金属离子,并且粉煤灰在水溶液中呈碱性,在高pH条件下呈电负性,由于静电作用易吸附金属阳离子
[1,2]
。
有关粉煤灰吸附重金属离子或有机污染物
已有许多报道
[2~6]
但研究仍不够全面,多限于未改
性粉煤灰或简单改性粉煤灰的吸附研究。
壳聚糖分子中含有许多活泼的氨基和羟基,可与一些重金属离子发生螯合作用,从而成为高性能的重金属离子捕集剂
[7~9]
但是,壳聚糖不溶于水,
只有壳聚糖粉末的表面分子能与重金属离子螯合
[10]
因而壳聚糖加入量较多。
另外,壳聚糖在溶液中的溶胀也使分离较困难,需添加硫酸铝、
聚合氯化铝等,且最终的絮凝和沉降过程不易控制。
本工作以粉煤灰为载体,将壳聚糖负载于粉煤灰表面,再与重金属离子螯合。
该吸附剂既可节省
壳聚糖加入量,又使分离操作简单易行,具有吸附速
率快、吸附容量大、无污染等优点。
环境工程学报第3卷
1 实验部分
1.1 仪器和材料
WFX2110型原子吸收分光光度计;
YH22A调速多用振荡器;
pHS22型酸度计;
CS501超级恒温器;
800型离心沉淀器;
马弗炉;
抽滤设备等。
粉煤灰取自本地电厂,其成分:
SiO2为56178%,Al2O3为22196%,Fe2O3为9106%,CaO为2126%,其余约9%,经粉碎筛分,于110
燥4h后保存备用;
;
酸(分析纯;
1.2 实验方法
1.2.1 改性粉煤灰的制备
将1mol/L的NaOH溶液与经活化的粉煤灰(粉煤灰过180目筛分后马弗炉300℃活化1h按固液比1∶15混合,在90℃下搅拌15h,然后水洗至中性、抽滤,恒温干燥箱110℃烘干,制得经碱改性粉煤灰。
将一定量的壳聚糖溶入适量1%的醋酸溶液充分搅拌,制成1%的壳聚糖醋酸溶液。
按照一定质量比例逐渐加入经活化的粉煤灰,剧烈搅拌30min,同时滴加5%NaOH溶液,使pH=9,变成凝结状,然后慢速搅拌20min,水洗至中性、抽滤,恒温干燥箱110℃烘干,研磨过180目筛,制得壳聚糖改性粉煤灰。
同样,重复以上操作,按照一定质量比例逐渐加入经NaOH改性的粉煤灰,则制得壳聚糖联合碱改性粉煤灰。
1.2.2 吸附实验
准确称取015g改性粉煤灰,加入到50mL浓度为100mg/L的金属离子溶液中,25℃下振荡吸附2h至平衡,在3000r/min的转速下离心30min,取上层清液用原子吸收光谱法测定溶液中金属离子浓
度。
去除率η=(C
-Ce/C0×
100%。
其中,C0和Ce分别为吸附前后溶液中离子的浓度,mg/L。
在吸附时间对吸附率的影响和吸附动力学测试中,每隔一段时间从系列样中取样,离心分离后检测上层清液中金属离子浓度。
2 结果与讨论
211 不同吸附剂的吸附能力比较
由图1可见:
随壳聚糖负载量的增加,粉煤灰对Pb2+,Cd2+的吸附能力均提高;
当负载壳聚糖的质
Pb2+,
2+的去除率
Fig.1 RemovalefficiencyofPb2+,
Cd2+atdifferentmassfractionofchitosan
量分数为8%时,粉煤灰对Cd2+的吸附率达最大值(为8817%,对Pb2+的吸附率也达最大值(为9813%;
继续增加壳聚糖的负载量,粉煤灰的吸附能力不再增加。
由图1还可看出:
经NaOH改性后的粉煤灰与原粉煤灰相比,无论是否负载壳聚糖,其对Pb2+,Cd2+的吸附能力均得到显著提高。
这是因为粉煤灰的矿物组成包括玻璃体和晶体矿物两大类,在有水存在的条件下,其中的玻璃体能够与碱或碱土金属的水合物反应,使玻璃体溶解,破坏硅氧、铝氧网络,发生火山灰反应,形成具有很高比表面积的多孔晶体,从而增大了其比表面积[11]。
因此,吸附效果最好的是负载壳聚糖的质量分数为8%的经碱改性的粉煤灰(定为10#吸附剂。
212 吸附时间对吸附率的影响
分别取50mL浓度为100mg/L的Pb2+,Cd2+溶液,加入015g10#吸附剂,振荡吸附,每隔20min取样测定Pb2+,Cd2+质量浓度,计算吸附率。
吸附时间对吸附率的影响见图2。
由图2可见:
随吸附时间的延长,10#吸附剂对Pb2+,Cd2+的吸附率均提高;
吸附120min时,达到吸附平衡,10#吸附剂对Pb2+的吸附率最高(达9815%,对Cd2+的吸附率最高(达8813%;
再延长吸附时间,10#吸附剂对
图2 吸附时间对去除率的影响
Fig.2 Effectofadsorptiontimeonremovalefficiency
2822
第12期杨文澜:
壳聚糖联合碱改性粉煤灰对重金属离子的吸附特性
Pb
Cd2+
的吸附率反而降低,这可能是由于负载
的壳聚糖有部分降解造成的。
因此,本实验适宜的吸附时间为120min。
213 吸附温度对吸附率的影响
在吸附时间为120min、其他条件同第2.2节的条件下,吸附温度对吸附率的影响见图3。
由图3
可见,吸附温度为30℃时,10#吸附剂对Pb2+
的吸附
率最高(达9819%,对Cd2+
的吸附率也较高(达9115%,此时,对应的吸附剂的吸附容量qe9189mg/g和9115mg/g。
温度为30℃
图3 吸附温度对去除率的影响
Fig.3 Effectofadsorptiontemperature
onremovalefficiency
214 吸附等温线
配置不同浓度的Pb2+,Cd2+
溶液,分别取50
mL,加入015g的10#
吸附剂,在30℃条件下吸附
120min,测其平衡质量浓度(ρe
mg/L,用式(1计算平衡吸附量qe:
qev(ρ-ρm
(1式中:
V为溶液体积,L;
ρ0为溶液的初始质量浓度,mg/L;
m为吸附剂加入量,g。
Freundlich等温吸附方程常用来描述金属离子
在天然颗粒物表面的吸附行为[12]
其方程见式(2:
lnqe=lnkn
lnρe
(2式中:
qe为单层饱和吸附量;
k为Freundlich吸附系
数;
1/n为吸附指数。
采用本实验数据拟合的Freundlich等温吸附方程拟合曲线见图4。
Freundlich常数1/n和lnk见表1。
由图4可看出,10#吸附剂对Pb2+,Cd2+
的吸附曲线符合Freundlich等温吸附模型,表明该吸附剂与Pb2+,Cd2+
之间的作用以单分子吸附为主
.ptionisothermofFreundlich
表1 Freundlich常数
Table1 Freundlichconstants
阶段
Cd
1/n
lnk1/nlnk12
0.74680.1067
1.84662.7743
0.68180.3017
0.62931.429
由图4还可看出,等温吸附过程分为2个线性
段,Benjamin等
[1]
在研究铁氢氧化物对金属离子的
吸附时也得到类似规律。
这是由于吸附剂表面不同
吸附位对吸附质(金属离子的表面作用强度不同,在低浓度区(ρe较小,金属离子主要吸附于表面作
用强度大的吸附位,金属离子浓度较低时这些高活性位尚未被完全占据,吸附较快,此时1/n(直线斜率,与表面作用强度相关较大;
在高浓度区,金属
离子首先占据这些高活性位(快速吸附过程,随着
这些吸附位被占据,其余金属离子只能在那些表面
作用强度较弱的低活性吸附位上进行吸附(慢速吸附过程,总的作用结果是使1/n较小。
吸附剂对
Pb2+,Cd2+
的等温吸附曲线第1线性段(低浓度区
的1/n分别为017468和016818(表1,明显高于
第2线性段(高浓度区的011067和013017。
3 粉煤灰的改性机理壳聚糖分子含有较多的氨基,当其溶解于酸性溶液中时,即带有正电荷,可与晶体外表面的分子相互结合形成共价键[13]
由于带有正电荷的壳聚糖分子链很长,难插入粉煤灰晶体的孔隙间,只是形成
粉煤灰-壳聚糖复合物。
粉煤灰负载壳聚糖前后的X射线衍射(XRD谱图见图5。
由图5可见,粉煤灰负载壳聚糖前后衍射峰的位置没有发生变化,说
明粉煤灰的晶体结构类型未发生变化。
因此,可推测出粉煤灰负载壳聚糖的改性机理是粉煤灰与带正
3
822
电荷的壳聚糖的化学键合作用
图5 Fig.ashandmodification
4 结 论
(1采用浸渍法将壳聚糖负载在经NaOH改性
的粉煤灰上,制备了联合改性的粉煤灰。
随粉煤灰
上壳聚糖负载量的增加,粉煤灰对Pb2+和Cd2+
的吸附率均提高。
当负载壳聚糖的质量分数为8%,吸附温度为30℃,吸附时间为120min时,粉煤灰对Pb2+的吸附率最高(为9819%,对Cd2+
的吸附率也最高(为9115%。
(2改性粉煤灰的最佳吸附时间为120min,最佳吸附温度为30℃。
(3改性后粉煤灰的吸附行为符合Freundlich等温吸附模型,但表现为两个线性区。
(4粉煤灰负载壳聚糖的改性机理是粉煤灰与带正电荷的壳聚糖的化学键合作用。
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4
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