全 文 ：第 33 卷第 9 期
2012 年 9 月
环 境 科 学
ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol． 33，No． 9
Sep．，2012
改性花生壳对水中镉的动态吸附研究
龙腾1，易筱筠1，2* ，党志1，2
(1. 华南理工大学环境科学与工程学院，广州 510006;2. 工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室，广州
510006)
摘要:采用高锰酸钾改性花生壳吸附剂对镉离子进行固定床吸附实验，考察了床层高度(30 ～ 50 cm)、初始离子浓度(0. 55 ～
11. 00 mg·L －1)、进料流速(15. 11 ～ 37. 00 mL·min －1)等操作参数对镉吸附特性的影响，同时对吸附穿透曲线进行拟合． 实验
结果表明，改性花生壳固定床对水中镉具有较好的吸附效果，在吸附操作初期，吸附柱出水镉离子浓度几乎为 0(＜ 0. 001
mg·L －1) ，吸附操作时间根据不同的操作条件可达 2 ～ 62 h，镉离子总去除率均大于 54% ． 传质区长度主要受初始离子浓度、
进料流速影响． 床层高度的增加使得穿透时间增加，但传质区长度几乎保持不变;初始离子浓度和进料流速增加，穿透时间
缩短，传质区长度增加． 在低浓度条件下，BDST模型实验穿透曲线拟合效果较好(R2 ＞ 0. 99) ，运用该模型能准确预测吸附柱
的操作时间．
关键词:花生壳;镉;吸附;固定床;穿透曲线
中图分类号:X506 文献标识码:A 文章编号:0250-3301(2012)09-3177-05
收稿日期:2011-11-20;修订日期:2012-03-29
基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07211-
001)
作者简介:龙腾(1988 ～) ，女，硕士研究生，主要研究方向为水体重
金属污染控制，E-mail:longteng524@ yahoo． cn
* 通讯联系人，E-mail:xyyi@ scut． edu． cn
Dynamic Adsorption of Cadmium (Ⅱ)in Water on Modified Peanut Shells
LONG Teng1，YI Xiao-yun1，2，DANG Zhi1，2
(1. College of Environmental Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China;2. Key
Laboratory of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Clusters，Ministry of Education，Guangzhou 510006，China)
Abstract:Peanut shells modified by potassium permanganate were used as absorbents for cadmium (Ⅱ)removal in a fixed bed． The
effects of influencing parameters such as bed height (ranging between 30 and 50 cm) ，initial concentration (ranging between 0. 55 and
11. 00 mg·L －1)and influent flow rate (ranging between 15. 11 and 37. 00 mL·min －1)were studied and the corresponding
breakthrough curves were obtained． This result indicated that the column packed with modified peanut shells had good adsorption
properties for cadmium (Ⅱ)removal． In the initial adsorption stage cadmium (Ⅱ)outflow concentration was less than 0. 001
mg·L －1 ． According to different operating conditions the operation time reached 2-62 h and the removal rate was above 54% ． The
height of mass transfer zone was primarily driven by initial concentration and influent flow rate． The height of mass transfer zone kept
substantially unchanged and the breakthrough time increased with the increase of bed height． The height of mass transfer zone increased
and the breakthrough time decreased with the elevated initial concentration and influent flow rate． The bed depth service time (BDST)
model was used to fit the experiment data resulting in a good effect with R2 ＞ 0. 99 under low concentration． The operation time can be
accurately predicted using the BDST model．
Key words:peanut shell;cadmium;adsorption;fixed-bed;breakthrough curve
重金属污染的危害关键在于重金属为非降解型
污染物，一旦进入环境将被生物吸收并通过食物链
富集，危害人体健康． 镉是一种毒害性很强的重金
属元素，被广泛应用于电镀、冶炼、染料、电池行业
等，它积存于人体肝或肾脏从而对健康造成危害，还
可导致骨质疏松和软化．
化学沉淀法、电解法、吸附法、离子交换法、
膜分离法等传统方法［1 ～ 5］在含镉废水的处理上应用
十分广泛，但仍然存在着诸多问题，如成本高、对于
排放标准严格的水源保护区传统处理方法难以达标
等． 生物吸附法由于具有效果好、投资少、运作费
用低等优点备受人们的关注． 目前国内外报道了很
多可用作吸附镉的生物质材料，主要有果皮［6 ～ 8］、
椰子 壳 粉［9，10］、稻 壳［11，12］、树 皮［13，14］、树 枝
叶［15，16］、改性玉米秸秆［17］、藻类［18，19］等，但对于上
述吸附材料的研究更多的是集中在静态实验及吸附
机制的探讨上，且由于其粉末状、机械强度低等缺
点，难以在塔式吸附或者水体原位吸附中直接应用．
经前期实验筛选出一种对镉吸附性能良好的颗
粒状改性花生壳吸附剂［20］，该吸附剂对 Cd2 +的吸
附量最大达 43. 11 mg·g －1，采用该吸附剂进行镉的
吸附柱实验，绘制不同操作条件下的吸附穿透曲线
并分析该吸附剂对镉的动态吸附特性，以期为其在
DOI:10.13227/j.hjkx.2012.09.049
环 境 科 学 33 卷
固定床和河流原位吸附的工业化应用提供理论
依据．
1 材料与方法
1. 1 材料与设备
实验用花生壳来源于江西永新县某花生榨油
厂，将原花生壳洗净烘干、捣碎，取 10 目筛下和 20
目筛上花生壳颗粒，在常温下经高锰酸钾溶液搅拌
浸泡一定时间，取出后用去离子水洗净，放入 60℃
烘箱烘干备用．
镉溶液采用氯化镉配制，高锰酸钾改性花生壳
吸附镉离子在 pH为 4. 5 ～ 6. 5 时效果最佳［20］，本实
验配制的溶液 pH 为 4. 7． 实验所用试剂均为分析
纯，镉的浓度采用日立 Z-2000 型塞曼原子吸收分光
光度计测定．
1. 2 实验方法
1. 2. 1 吸附柱实验
固定床吸附实验采用自制装置． 固定床装置如
图 1 所示． 吸附柱材料为玻璃材质，规格为  20
mm ×1 000 mm． 把改性好的花生壳吸附剂(密度为
0. 49 g·cm －3)装入吸附柱，并加入 2 L 去离子水浸
润使吸附剂填充更均匀，再将特定浓度的镉溶液通
过蠕动泵自上而下恒速加入吸附柱中，定时检测流
出液浓度．
图 1 实验装置示意
Fig． 1 Experimental set-up
1. 2. 2 吸附柱参数计算
空床停留时间(EBRT)是衡量吸附柱操作成本
的参数之一，空床停留时间减少，吸附传质区缩短，
床层得以更充分利用，但吸附柱的处理率减小． 空
床停留时间由式(1)计算:
EBRT =
Vb
Q (1)
从吸附柱开始操作到穿透终点吸附柱吸附镉的
总量 Mad可由穿透曲线与初始浓度的直线所围成的
积分面积进行计算，计算式如式(2)． 改性花生壳吸
附剂的动态吸附量 q由式(3)计算．
Mad =
Q
1 000∫
te
0
(c0 － ce)dt (2)
q =
Mad
m =
Mad
ρ0Vb
(3)
从吸附柱开始操作到穿透终点流过的镉总量
Mtotal = c0Qt /1 000，则吸附柱对镉的总去除率 R 由式
(4)可计算得出:
R =
Mad
Mtotal
(4)
吸附区内剩余吸附容量分率:
f =
∫
te
tb
(c0 － ce)dt
c0(ta － tb)
(5)
吸附床层的传质区长度［21］:
HMTZ =
c0Q
qρ0A
(te － tb) (6)
式中，Q为进水流量(L·h －1);m为吸附柱填充吸附剂
质量(g);c0 为初始镉离子浓度(mg·L
－1);ce 为出水
中镉离子浓度(mg·L －1);Vb 为吸附柱床层体积
(cm3);tb 为穿透时间(h);te 为穿透终点时间(h);ρ0
为床料密度(g·cm －3);A为吸附柱横截面积(cm2)．
1. 2. 3 穿透曲线的模型拟合
BDST(bed depth service time)模型是最普遍地
应用于固定床吸附的简化模型之一［22 ～ 24］． 应用该
模型可以预测在不同的进料流速、床层高度、进料
流速等操作条件下的吸附操作时间．
t =
N0
c0v
z － 1Kc0
ln c0
c －( )1
式中，c0 为进水初始浓度(mg·L
－1) ;c 为出水浓度
(mg·L －1) ;K为吸附速率常数［L·(mg·h)－ 1］;N0
为最大吸附容量(mg·L －1) ;z 为吸附柱高度(cm) ;
v为进水线速度(cm·h －1) ;t为吸附时间(h)．
2 结果与分析
2. 1 吸附柱参数计算
在实验浓度范围内，改性花生壳吸附柱对水中
镉离子具有较好的吸附效果，在吸附操作初期，吸附
柱出水镉离子浓度几乎为 0(＜ 0. 001 mg·L －1) ，吸
附操作时间根据不同的操作条件可达 2 ～ 62 h，镉离
子总去除率均大于 54% ．
2. 2 操作方式对穿透曲线的影响
2. 2. 1 不同吸附柱高度对穿透曲线的影响
初始浓度为 2 mg·L －1，进料流速为 8. 39
cm·min －1，在不同填料高度下测定高锰酸钾改性花
8713
9 期 龙腾等:改性花生壳对水中镉的动态吸附研究
生壳吸附柱对 Cd2 +的吸附性能，绘制的穿透曲线如
图 2 所示． 吸附柱高度分别为 30、40、50 cm时，吸
附柱穿透时间分别为 2. 17、12. 40 和 16. 86 h，随着
吸附柱高度的增加，吸附质与吸附材料的接触时间
增加，提高了吸附材料对镉离子的吸附量，穿透时间
推迟，但传质区长度和穿透曲线形状几乎无变化，这
是因为吸附平衡和传质扩散速率不随吸附柱高度的
变化而变化．
表 1 不同操作条件下吸附柱的参数计算结果1)
Table 1 Parameter results under different operating conditions
c0
/mg·L －1
v
/ cm·min －1
z
/ cm
EBRT
/min
tb
/h
te
/h
R /% f /%
HMTZ
/cm
2. 00 8. 39 30 3. 57 2. 17 40. 67 62. 69 39. 42 28. 29
2. 00 8. 39 40 4. 77 12. 40 52. 00 72. 33 36. 33 27. 49
2. 00 8. 39 50 5. 96 16. 86 60. 00 70. 03 40. 50 29. 96
0. 55 8. 39 40 4. 77 49. 09 180. 27 79. 68 30. 71 22. 71
11. 00 8. 39 40 4. 77 5. 38 43. 00 54. 26 57. 45 39. 40
2. 00 4. 81 40 8. 31 62. 00 124. 69 83. 16 34. 09 13. 55
2. 00 11. 82 40 3. 39 2. 06 40. 00 63. 95 38. 00 38. 34
1)本实验取出水浓度为 0. 001 mg·L －1时的时间为吸附穿透时间 tb，出水浓度为初始浓度的 95%时的时间为吸附穿透终点时间 te［25，26］，tb、te
由线性插值法求得
图 2 床层高度对穿透曲线的影响
Fig． 2 Effects of bed height on the breakthrough curves
2. 2. 2 不同进料流速对穿透曲线的影响
进料流速是吸附柱操作中的重要参数，它直接
影响吸附剂与吸附质接触时间，从而影响吸附的传
质速率． 实验选取 4. 81、8. 39、11. 82 cm·min －1共 3
个流速，在初始浓度为 2 mg·L －1，吸附柱高度为 30
cm条件下测绘的穿透曲线如图 3 所示． 当进料流
速由 4. 81 cm·min －1增加到 8. 39 cm·min －1和 11. 82
cm·min －1时，吸附柱的穿透时间分别由 62. 00 h 减
少至 12. 40 h 和 2. 06 h，这是由于随着进料流速的
增加吸附剂与吸附质之间的接触时间减少，传质区
长度增加，穿透时间缩短． 进料流速降低，吸附剂与
吸附质之间的接触时间增加，固定床层的利用率增
加，因而固定床的剩余吸附容量分率呈下降的趋势．
2. 2. 3 不同初始浓度对穿透曲线的影响
吸附柱高度为 40 cm，进料流速为 8. 39
cm·min －1，不同初始浓度时吸附柱的穿透曲线如图
4． 当初始浓度为 0. 55、2. 00、11. 00 mg·L －1时吸附
图 3 进料流速对穿透曲线的影响
Fig． 3 Effects of influent flow rate on the breakthrough curves
柱穿透时间分别为 49. 09、12. 40、5. 38 h，初始浓度
增加，吸附剂单位时间吸附的镉离子量增加，因而吸
附柱达到穿透点的速度更快． 随着初始浓度的增
加，传质区长度增加，穿透曲线形状变陡，床层利用
率降低，固定床剩余吸附容量分率增加．
图 4 初始浓度对穿透曲线的影响
Fig． 4 Effects of initial concentration on the breakthrough curves
2. 2. 4 各操作因素对固定床传质区长度的影响比较
9713
环 境 科 学 33 卷
为了考察床层高度、初始离子浓度和进料流速
对吸附穿透特性影响程度的大小，采用传质区长度随
各操作因素变化的相应平均变化率即 |Δy /Δx |来衡
量［16］，计算得出传质区长度对床层高度、处理离子浓
度、进料流速的平均变化率分别为 0. 08、2. 07、
3. 53，可以看出床层高度的变化对传质区长度的影响
较小，初始离子浓度和进料流速对传质区长度影响较
大，其中进料流速对传质区长度的影响最大．
2. 3 穿透曲线的模型拟合
在不同操作条件下 BDST模型的穿透曲线拟合
参数见表 2． 从中可知，BDST 模型得出的穿透曲线
与实验数据所得穿透曲线相关性较好，实验所得穿
透时间与模型计算出的理论穿透时间相差不大，这
说明 BDST模型能够较好地预测镉离子在高锰酸钾
改性花生壳吸附剂上的穿透特性． 溶液初始浓度为
0. 55 mg·L －1时，模型拟合得出的可决系数 R2 更高，
理论穿透时间与实际穿透时间的误差更小，即 BDST
模型更适用于低浓度镉离子的固定床吸附过程模
拟，这是由于 BDST模型是基于表面吸附而建立的，
未考虑吸附剂的内扩散作用，而在低浓度情况下，吸
附剂的内扩散作用可忽略不计． 图 2 ～ 4 显示拟合
穿透曲线与实际穿透曲线相比，吸附中间段实际出
水浓度比理论出水浓度偏高，这说明吸附过程内扩
散缓慢．
表 2 不同操作条件下穿透曲线拟合参数
Table 2 Fitting parameters under different operating conditions
c0
/mg·L －1
v
/ cm·min －1
z
/ cm R
2 N0
/mg·L －1
K
/L·(mg·h)－ 1
理论 tb
/h
实际 tb
/h
2. 00 8. 39 30 0. 949 7 933. 14 0. 14 1. 19 2. 17
2. 00 8. 39 40 0. 965 9 1 000. 72 0. 13 11. 50 12. 40
2. 00 8. 39 50 0. 963 9 905. 81 0. 12 14. 08 16. 86
0. 55 8. 39 40 0. 994 5 898. 88 0. 13 49. 85 49. 09
11. 00 8. 39 40 0. 886 1 3 262. 27 0. 04 2. 81 5. 38
2. 00 4. 81 40 0. 995 6 1 500. 62 0. 09 63. 14 62. 00
2. 00 11. 82 40 0. 953 4 965. 95 0. 15 1. 82 2. 06
3 结论
(1)在实验浓度(0. 55 ～ 11 mg·L －1)范围内，经
改性花生壳固定床吸附后水中镉离子浓度低于
0. 001 mg·L －1，吸附操作时间根据不同的操作条件
可达 2 ～ 62 h，改性花生壳是一种潜在的镉离子吸附
剂，可用于塔式吸附和固定床原位修复水中的镉
离子．
(2)床层高度、进料流速、初始离子浓度均会
影响动态吸附过程，随着进料流速、初始浓度的增
加，传质区长度增加，穿透时间缩短，其中进料流速
对吸附区长度的影响程度最大．
(3)在低浓度情况下 BDST 模型能成功拟合改
性花生壳吸附柱吸附镉的过程，运用该模型能预测
吸附操作时间，可为实际应用提供理论基础．
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