活性炭纤维对水中重金属离子的吸附分析

高飞飞

（阜阳创业水务有限公司，安徽 阜阳 236000）

重金属离子处理方法包括沉淀、膜分离和生物方法，但是上述方法有缺点，沉淀法成本高，产生新的污染物，因此在应用上存在局限性。生物方法要求水质高，保证微生物含量的稳定。离子交换方法成本高，再生剂消耗大。膜处理方法使用寿命短，需要及时更换。活性炭纤维作为一种性能优良、效率高的吸附剂，具有成本低、能耗低、效率高的优点，在水中重金属离子吸收中有广泛的应用[1]。

1 活性炭纤维对水中重金属离子的吸附实验设计

1.1 实验材料

本次实验研究所需材料主要包括活性炭纤维（由辽宁省安全科学研究院生产提供，平均孔径为1.5263nm，细孔容积为0.6852cm3·g-1）、水样包括CdCl22.5H2O、CdCl22H2O、Ni（NO3）.6H2O，以上水样均为分析纯，采用人工方式配置。实验仪器主要包括原子吸收分光光度计（由北京第二光学仪器厂生产提供，型号：WFX-IB2）、活性炭纤维切割机（由实验室自制）、扫描电镜（由日本日立企业研发生产，型号S-570型）、调速多用振荡器（由深圳国华仪器厂研发生产，型号HY-2）、数字式离子计（由江苏电分析仪器厂研发生产，型号PXD-3）、F1（自制）、吸附柱（由实验室自制）。

1.2 实验方法

本次实验研究方法主要分为静态吸附实验与动态吸附实验两个部分。其中静态吸附实验操作方式如下：取0.5g的活性炭纤维，将其放置在容量为250ml的碘量瓶内。向碘量瓶注入浓度为20ml/L的重金属水溶液，剂量控制在100ml即可。借助震荡器进行震荡，震荡速率控制在120r/min，震荡时间控制在5min左右即可。完成上述操作之后，取混合液上清液，对上清液中的重金属离子浓度进行测量。动态吸附实验操作方式如下：将含镉离子的废水从高位槽中以一定流速经计量泵，遵循自上而下的原则使其通过活性炭纤维吸附柱。

1.3 活性炭纤维负载重金属离子

取200ml含镉离子废水，向其中加入同体积的F1试剂，搅拌，使废水中含有的金属离子充分沉淀。在沉淀之后的溶液中分别加入质量为0.2g、0.5g、1.0g、2.0g的活性炭纤维，观察充分吸附之后，对吸附后滤液中的镉离子浓度进行测定，由此计算出活性炭纤维上负载的镉离子量。

1.4 重金属离子的洗脱

为了测定活性炭纤维上吸附的重金属离子，需要借助原子吸收分光光度法完成测定操作。测定之前，需要将吸附在活性炭纤维上的重金属离子洗脱下来，操作如下：取吸附了重金属离子的活性炭纤维，将其置于马弗炉中。将马弗炉的温度分别控制在600摄氏度、700摄氏度、750摄氏度以及800摄氏度，加热处理，加热时间控制在3h，冷却。

2 结果分析

2.1 吸附时间的影响

在20摄氏度的情况下，由图1分析可以看出，镉离子、铜离子以及镍离子在活性炭纤维吸附柱上的吸附效果与吸附时间（纵轴）两者之间的关系。期间，初始浓度为20ml/L，pH值大小为5.5～6.0，活性炭纤维用量为0.5g。综合分析来看，活性炭纤维吸附初期阶段，镉离子、铜离子以及镍离子在活性炭纤维吸附柱上的吸附效果较为明显，待测水中的重金属残留浓度在短时间内快速下降。一段时间后，活性炭纤维对于几种重金属的吸附速度趋近于平衡。

图1 吸附时间对活性炭纤维吸附效果的影响

2.2 pH值的影响

对比分析来看，pH值对活性炭纤维吸附效果的影响。可以看出活性炭纤维对于水中各种重金属离子的吸附效果，会随着pH值的增大而随之不断提升。当水中的pH值较低时，如果选择使用活性炭纤维去除水中含有的重金属离子，其实际的重金属吸附效果会受到直接的影响。这种情况下，为了进一步保证活性炭纤维对于水中重金属离子的吸附效果，可以通过合理提高水的pH值这一方式来实现。

2.3 活性炭纤维吸附线性模型

结合20摄氏度下活性炭纤维吸附水中镉离子、铜离子以及镍离子三种重金属离子的等温线情况，分别在Langmuir以及Freundich两种模式，构建对应的活性炭纤维吸附水中重金属离子的线性模式，在此基础上综合探究活性炭纤维的吸附规律。Freundich下线性回归方程为logq=0.49081logCe+0.2001，Freundich模式下的线性拟合结果为：kf=1.1024，对应的I=0.04921，相关系数为0.9251,相关指数为0.9524。通过对以上数据的分析，可以发现等温吸附特征常数I处于0.1～0.5之间，所以证明活性炭纤维对于水中的镉离子、铜离子以及镍离子三种重金属离子的吸附效果明显，整体吸附特性较好。

2.4 活性炭纤维对于重金属离子的负载情况

借助F1对水中的重金属离子实施预处理，最终确定活性炭纤维对于重金属离子的负载情况如下（以镉离子为例）：当活性炭纤维质量为0.2g时，活性炭纤维对于水中重金属离子的负载量为172.3mg/g，经计算其吸附率为52.7%；当活性炭纤维质量为0.5g时，活性炭纤维对于水中重金属离子的负载量变为93.3mg/g，经计算其吸附率为72.1%，当活性炭纤维质量为1.0g时，活性炭纤维对于水中重金属离子的负载量为53.6mg/g，经计算其吸附率为82.5%。

3 讨论

随着现代工业发展速度的不断加快，在很大程度上使得重金属污染逐渐成为威胁用水安全的关键性因素。活性炭纤维具有明显的微孔结构多、表面官能团较多、比表面积大、吸附速率快以及吸附效率高等一系列优势特征，因此可以将活性炭纤维作为吸附剂，应用于水中重金属的去除工作中。

由本次实验研究结果分析，可以发现活性炭纤维在去除水中重金属离子方面具有重要的作用价值。但是在具体的应用过程中，活性炭纤维对于水中重金属离子的吸附效果，会受到pH值、吸附时间等因素的影响。

4 结语

综上所述，活性炭纤维对重金属离子的吸附效果显著，因此可以将活性炭纤维作为去除水中重金属离子的吸附剂，具有突出的成本低、效率高诸多应用优势。同时活性炭纤维在吸附水中重金属离子时，在单分子层这一模式下的效果更好，其操作更加便捷，整体吸附特性较好。