活性炭去除电池废水中的镉离子

　　随着现代社会的飞速发展，人们对电子产品的需求越来越大。随着电池数量的增加，化工厂在电池生产过程中排放的重金属废水也随之增加。含重金属废水关系到生活环境的重大问题。镉离子是化工厂在电池制造过程中产生的废水中的主要有害物质，是一种毒性特别大的重金属。本次研究的是处理含镉离子的电池废水处理，使用活性炭用氢氧化钾和聚乙烯多胺改性来处理。

　　聚乙烯多胺是一种优异的聚合物，已广泛用于制备阴离子交换树脂、离子交换膜和润滑油添加剂。近年来，聚乙烯多胺作为一种新型材料得到发展，具有亲水性、环境友好性、吸附容量大、选择性吸附性好、改性程度高等诸多优点。因此，我们聚乙烯多胺接枝到活性炭表面并引入具有吸附镉离子的胺基团，不仅提高了活性炭对镉离子的吸附能力，而且解决了聚乙烯多胺回收难、稳定性差的问题。改性活性炭有助于控制镉离子污染，有助于活性炭的多元化开发利用，提高潜在经济价值。本研究对改性活性炭对镉离子的吸附，并对吸附过程进行了统计分析。

　　活性炭的吸附能力

　　改性后的活性炭对镉离子的吸附量达到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达到36毫克/克，磷酸活化制备活性炭的吸附只有19毫克/克。可见，单纯对活性炭进行酸碱改性或接枝改性并不能达到良好的吸附能力。在活性炭嫁接聚乙烯多胺的过程中，可以发现接枝聚乙烯多胺的量与吸附量成正比。但过量的聚乙烯多胺会阻塞活性炭的孔径，导致孔隙塌陷，这进一步削弱了活性炭的吸附性能。活性炭的吸附位点当电池废水样品初始浓度一定时，吸附量在一定时间内增加，然后达到平衡。吸附容量在5-180分钟随时间增加，吸附容量在180分钟时达到平衡。然而，容量在180-240分钟时略微解吸。因此，180分钟是平衡时间。当活性炭吸附镉离子，其胺基和含O的官能团与镉离子形成络合物。pH值低时，由于溶液中存在大量氢离子，吸附剂表面的胺基体被质子化，失去络合作用，对镉离子产生静电排斥力，降低了吸附剂的吸附量。对于吸附能力图1中pH值的升高也促进了羧基的水解，提高了吸附剂的表面电负性，增加了镉离子与吸附剂之间的静电引力，促进了活性炭表面官能团与活性炭的络合。随着pH值的增加，活性炭表面负电荷量增加，金属阳离子与其表面的静电斥力降低，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，略微降低了活性炭对镉离子的吸附能力。

　　图1：(a、b)不同pH值对吸附剂的影响和不同pH值下的大吸附容量。

　　活性炭的吸附动力学研究

　　三种活性炭的的SEM形貌如图2所示，活性炭表面有少量蜂窝状或圆形孔隙，三种活性炭的形态都差不多。然而，有更多的蜂窝状或圆形孔隙。活性炭和活性炭1的表面形态更光滑。活性炭2表面粗糙，部分孔隙结构轻微塌陷，呈不规则圆形孔隙;这种现象与内部孔隙结构的变化有关。活性炭2的表面被海绵状沉积物覆盖，这主要是由于聚乙烯多胺接枝在活性炭表面。改性活性炭为镉离子提供了更多的吸附位点。

　　采用吸附动力学模型通常用于研究吸附容量与接触时间之间的关系。吸附过程可以用不同的吸附机制来描述，如传质、化学反应和粒子扩散。为了研究活性炭对镉离子的吸附速率和机理，进行了动力学实验。拟一级动力学方程和拟二级动力学方程用于模拟活性炭对镉离子的吸附动力学。准一级动力学模型基于吸附的限制因素是吸附剂颗粒中的传质阻力的假设。若吸附动力学数据拟合结果符合拟一级反应动力学，则吸附过程是扩散控制的，限速步骤是物理吸附。准二级动力学基于吸附的限制因素是化学吸附机制的假设，化学吸附机制通过在吸附剂和被吸附物之间共享或交换电子来控制吸附速率。金属离子占据吸附剂活性位点的比率与未占据活性位点数的平方成正比。图3显示了吸附剂的动力学拟合结果。图3(a)和3(b)分别显示了伪一级动力学曲线和伪二级动力学曲线。

　　图2：(a-c)三种活性炭的SEM光谱。

　　图3：(a,b)改性活性炭的拟一级动力学吸附曲线和拟二级动力学吸附曲线。

　　活性炭的吸附-解吸循环的再生

　　改性活性炭的回收利用在实际应用中具有重要意义，因为它可以降低生产成本，节省时间。为了研究改性活性炭回收的重要指标，我们考虑了吸附剂活性基团的性质。在本研究中，对两种改性后的活性炭进行再生。将0.1g改性活性炭吸附的镉离子分别放入两种溶液中，在恒温震荡器中放置6小时进行解吸再生。然后重复吸附和解吸实验5次，样品溶液再吸附镉离子的溶解度为0.1g/L。图4表明0.1mol/L聚乙烯多胺溶液是改性活性炭的合适再生剂，因为聚乙烯多胺具有很强的络合能力，可以在不破坏吸附剂原有结构的情况下解吸金属离子。这些结果证明活性炭不仅具有较高的去除率，而且具有良好的回收性能，具有良好的应用前景。

　　图4：吸附解吸循环的再生实验。

　　活性炭去除电池废水中的镉离子的研究中，活性炭经两种活化剂改性，用于吸附去除废水中的镉离子。聚乙烯多胺负载到活性炭表面后，所有改性活性炭的比表面积都减小，但是活性炭的表面zeta电位增加。pH是影响镉离子吸附的重要因素，当pH为6时，活性炭在水溶液中表现出很好的镉离子吸附，吸附量也很高。整个吸附过程为化学过程，并且活性炭表现出良好的再生能力，经过四次循环循环后活性炭对镉离子的吸附量仍保持在85%左右，表明改性活性炭是一种非常有前景的吸附材料。