全 文 ：第 28卷第 3期
2 0 0 9 年 5月
大 连 工 业 大 学 学 报
Journal of Dalian Polytechnic University
Vol.28 No.3
May 2 0 0 9
文章编号:1674-1404(2009)03-0200-04
花生壳活性炭对溶液中 Cu2+和 Ni2+的吸附性能
付 瑞娟 , 　薛 文 平 , 　马 　春 , 　成海 亮 , 　刘 文伟
(大连工业大学 化工与材料学院 , 辽宁 大连　116034)
摘要:以花生壳为原料制备花生壳活性炭 ,进行了吸附去除水溶液中 Cu2+和 Ni2+的试验。 研究了活
性炭投加量 、吸附时间 、溶液 pH 、初始 Cu2+和 Ni2+质量浓度等因素对花生壳活性炭去除 Cu2+ 、Ni2+作
用的影响。结果表明 ,花生壳活性炭对重金属的吸附是一个快速反应过程 , 可在 60 min 内达到平衡。
花生壳活性炭的投加量和溶液的 pH 对吸附效果有很大的影响 ,去除率随 pH 上升而增加 , 铜离子适宜
的 pH 范围宽于镍离子。花生壳活性炭是一种廉价 、有效的吸附剂 , 对溶液中铜离子的去除效果好于镍
离子。
关键词:花生壳;活性炭;重金属;废水处理
中图分类号:X712 文献标志码:A
Adsorption of Cu2+ and Ni2+ by active carbon of peanut shell
FU　Rui-juan , 　XUE　Wen-ping , 　MA　Chun , 　CHENG　Hai-liang , 　LIU　Wen-wei
(School of Chemistry Engineering & Material , Dalian Polytechnic University , Dalian 116034 , China)
Abstract:The preparation o f activated carbon from peanut shell and i ts adsorption to Cu2+and Ni2+are
studied.The adso rpt ion of peanut shell act ive carbon to heavy metals w as a rapid reaction w ith only
60 min fo r equilibrium.The adsorption of peanut shell active carbon to heavy metals is do sage
dependent.The adso rption of the heavy metal increased w ith increasing pH .The removal rate of Cu2+
by peanut shell active carbon is higher than that o f Ni
2+.
Key words:peanut shell;active carbon;heavy metals;waste w ater t reatment
收稿日期:2008-09-22.
作者简介:付瑞娟(1983-),女 ,硕士研究生;通信作者:薛文平(1956-),男 ,教授.
0　引　言
随着有色金属加工行业的发展 ,废水排放不
断增加 ,重金属废水污染已成为人类面临的重要
环境问题。重金属可通过食物链在生物体内累
积 ,对动物及人体健康产生危害。因此去除污水
中的重金属及减少重金属进入地表水和地下水已
成为水资源保护的重要内容。废水中常见的重金
属有 Cu 、Cd 、Ni 、Pb 、Zn 等 。传统的重金属污染
处理技术包括化学沉淀 、离子交换和电解等[ 1] ,但
这些方法普遍存在着成本高 、对低浓度重金属废
水处理效果不理想等问题。目前 ,国外逐渐重视
利用廉价的农副产品制备吸附剂来清除工业废水
中的重金属。常用的农副产品有树皮 、花生壳 、锯
屑 、橘子皮等。我国是农业大国 ,花生壳来源丰富
且廉价。花生壳除少量作为粗饲料及纤维板的原
材料外 ,大部分被用作燃料 ,改良土壤或白白扔
掉 ,造成了极大的资源浪费。近年来 ,国内外对花
生壳综合利用的报道主要集中在化工 、建筑 、医疗
等领域[ 2] ,但对其在废水处理方面的报道较少 ,将
花生壳炭化后处理含有毒有害金属离子废水的研
究则更少 。所以本文作者以花生壳为原料 ,经简
单加工后制备成花生壳活性炭 ,探讨其对溶液中
的重金属离子 ———Cu2+和 Ni2+的吸附规律 。
1　材料与方法
1.1　材　料
花生壳 ,取自山东青岛郊区。
1.2　方　法
1.2.1　花生壳活性炭的制备
将花生壳洗净 、烘干 、粉碎 、过筛 ,置于马弗炉
中在隔绝空气的条件下于不同温度下炭化一定的
时间 ,冷却后取出 ,即得到花生壳活性炭 。
1.2.2　花生壳活性炭吸附重金属的方法
在一定浓度的重金属溶液中加入一定量的花
生壳活性炭 ,调节溶液 pH ,在恒温磁力搅拌器上
匀速搅拌一定时间后过滤分离 ,用原子吸收分光
光度计测定溶液中残余金属离子的浓度 ,分别测
定花生壳活性炭对两种重金属离子的吸附效果。
1.2.3　分析方法
花生壳活性炭得率的计算:化学法制备活性
炭一般采用得率的概念 ,即产物质量与原料质量
的比值 ,其计算式为
得率 =mp/mr
式中 ,mp 、mr 分别为产物和原料的质量 。
重金属含量的测定:溶液中重金属的含量用
原子吸收分光光度法依据 GB 7475-87进行测定 。
花生壳活性炭对重金属的吸附率计算公式为
φ=1 -ρ2/ρ1
式中 , φ为去除率 ,ρ1 为吸附前溶液中重金属的质
量浓度 ,ρ2 为吸附后溶液中重金属的质量浓度 。
1.2.4　花生壳活性炭的表面形貌分析
采用 SEM 分析仪对花生壳活性炭产品进行
分析与表征。
2　结果与讨论
2.1　炭化温度对得率和吸附效果的影响
木质活性炭的得率和质量与炭化的温度有很
大的关系 ,最终温度愈高 ,炭的得率越低 ,而炭的
含量越高[ 3] 。由表 1可见 ,随着炭化温度的升高 ,
活性炭的得率不断降低。这主要是因为随着炭化
温度的升高 ,花生壳中水分的损失和纤维等的烧
失造成的 。由图 1可以看出 ,随着炭化温度的升
高 ,花生壳活性炭对两种重金属离子的去除率也
在不断升高。温度为 300 ℃时 ,对 Cu2+ 、Ni2+的
去除率分别为 53%、25%;温度为 500 ℃时 ,两种
金属离子的去除率分别达到 94%和 46%;炭化温
度继续升高 ,两种金属离子的去除率增加趋缓。
另外炭化温度的升高也会增加生产的成本。因
　　　　　表 1　温度对花生壳活性炭得率的影响
Tab.1　Effect o f temperature on yield o f peanut
shell active carbon
θ/ ℃
300 400 500 600 700
得率/ % 49.08 37.76 34.25 29.88 29.61
图 1　炭化温度对吸附的影响
Fig.1　Effect of temperature on adsorption
此 ,应当很好地控制炭化的最终温度 ,在保证活性
炭质量的前提下 ,尽量降低炭化温度 。本实验选
取 500 ℃炭化的花生壳进行实验。
2.2　花生壳活性炭投加量对吸附效果的影响
分别取 20 mg/ L 的 Cu2+ 、Ni2+溶液50 mL ,
保持溶液的 pH 为 6 ,吸附时间为 60 min ,考察花
生壳活性炭投加量对吸附效果的影响 ,结果见图
2。一般来说 ,活性炭用量对吸附效果有重要影
响。由图 2可见 ,本实验中随着花生壳活性炭加
入量的增大 ,对重金属离子的去除率也不断增大 ,
当加入量分别为 0.2 、0.4 g 时 ,对 Cu2+ 、Ni2+两
种金属的去除率达到最大且基本保持平衡。这是
因为当溶液中金属离子的浓度一定时 ,活性炭的
用量增加 ,可供吸附的活性位增多 ,活性炭上吸附
的金属离子绝对量就会增加 ,那么达到吸附平衡
时的平衡浓度降低 ,因而吸附去除率升高。
图 2　花生壳活性炭投加量对吸附的影响
Fig.2 　Effect of peanut shell active carbon
do sage on adso rption
2.3　时间对吸附效果的影响
废水处理中的吸附 ,发生在固液相界面上。
吸附动力学实验表明[ 4] ,固体物质粒度的大小对
金属离子的吸附量影响一般较小 ,只要二者接触
时间足够长 ,就可达到其最大吸附量 。本实验中
分别取 20 mg/L 的 Cu2+ 、Ni2+溶液 50 mL ,保持
溶液的 pH 为 6 ,花生壳活性炭投加量为 0.2 g ,
考察时间对吸附效果的影响 ,结果如图 3 所示。
201第 3期 付瑞娟等:花生壳活性炭对溶液中 Cu2+和 Ni2+的吸附性能
结果表明 ,虽然重金属类型对去除率有很大的影
响 ,但花生壳活性炭对两种重金属的去除率均随
时间而增加。在初始阶段 ,对重金属的去除率随
时间增加迅速 ,至 60 min时两种重金属的吸附均
已接近平衡 ,这表明花生壳活性炭对重金属的吸
附是一个快速反应过程 ,可在短时间内完成 。据
分析 ,开始时吸附速度高主要是因为对重金属离子
的吸附主要发生在花生壳活性炭的外表面上 ,由于
孔径较大 ,有利于吸附的进行。随着吸附过程的深
入 ,金属离子逐渐经过渡孔进入到活性炭内部的微
孔 ,孔径变小 ,金属离子在其中的传质速度减慢 ,去
除率随时间缓慢增加 ,直到达到吸附平衡状态。
图 3　时间对吸附的影响
Fig.3　Effect of adsorption time on adso rption
2.4　溶液的初始 pH 对吸附效果的影响
分别取 20 mg/L 的 Cu2+ 、Ni2+溶液 50 mL ,
花生壳活性炭投加量为 0.2 g , 吸附时间为
60 min ,考察溶液的初始 pH 对吸附效果的影响 ,
实验数据见图 4。从图 4可以看出 , pH 对两种重
金属离子的去除率均随着 pH 的升高而增大 ,但
吸附效果存在明显的差异 。Cu2+适宜的 pH 范围
宽于 Ni2+ ,当溶液的pH 小于3时 ,花生壳活性炭
对 Cu2+只有较低的去除率 , pH 大于 3 时 , Cu2+
的去除率急剧增加 , pH 达到 5 之后 ,花生壳活性
炭对 Cu2+的去除率达到 95%,之后 pH 的增大对
Cu
2+去除率的影响不明显;对于 Ni2+而言 ,在酸
性条件下 ,花生壳活性炭对其吸附能力很小 , pH
为 5时 ,去除率只有 13%,当 pH 在 6 ～ 7 时去除
率增加迅速 , pH 为 7时 ,去除率可达到 91%,继
续增大溶液的 pH ,对 Ni2+的去除率增加不明显。
因为在吸附过程中 ,溶液 pH 影响活性炭表
面金属吸附点位和金属离子的化学状态 。pH 值
低时 , 活性炭表面的活性基团会被水合氢离子
(H 3O +)占据 ,由于斥力作用而阻碍金属离子对
活性炭的靠近 , pH 越低阻力越大 。溶液的 pH 升
高 ,活性炭表面官能团被质子化 ,表面电势密度降
低 ,金属离子与活性炭表面的静电斥力减少 ,同
时 ,由于活性炭表面的官能团为弱酸性 ,当溶液
pH 升高后 ,活性炭上负电势点增多[ 5] ,因而有利
于金属离子的接近并吸附在活性炭表面上。过高
的 pH 也不利于金属离子的吸附 ,当溶液的 pH
超过金属离子微沉淀的上限时 ,溶液中的金属离
子会以氢氧化物微粒的形式存在 ,使吸附过程无
法进行。众多研究表明 ,活性炭对金属离子吸附
量随 pH 升高而增大 ,但并不呈简单的线性关系 ,
而是具有一个适宜范围[ 6] ,因此在吸附过程中应
严格控制溶液的 pH 值。本实验确定 Cu2+ 、Ni2+
的最佳 pH 分别为 5和 7。
图 4　pH 对吸附 Cu2+ 、Ni2+的影响
F ig.4　Effec t o f pH on adso rption o f Cu2+ and Ni2+
2.5　溶液的初始质量浓度对吸附效果的影响
固定溶液的初始 pH 为 6 ,花生壳活性炭投
加量为 0.2 g ,吸附时间为 60 min ,考察重金属离
子的初始浓度对吸附效果的影响 ,结果见图 5。
　　　　　
图 5　Cu2+ 、Ni2+初始质量浓度对去除率
和吸附量的影响
Fig.5　Effec t of initial concentration on remove
ra te and adsorption quantity
202 大　连　工　业　大　学　学　报 第 28卷
由图 5可以看出 ,溶液初始浓度质量为 10 mg/L
时 ,Cu2+ 、Ni2+的吸附量分别为 97 、66 mg/g ,而初
始质量浓度为 35 mg/L 时 ,Cu2+ 、Ni2+的吸附量
分别达到 218和 100 mg/g 。而对 Cu2+ 、Ni2+的
去除率却分别由初始质量浓度为 10 mg/ L 时的
97%、66%,降低到初始质量浓度为 35 mg/L 时
的 62%、29%。随着初始质量浓度的增大 ,花生
壳活性炭对两种重金属的吸附量不断增大 ,而去
除率均呈现不断下降的趋势。这是因为花生壳活
性炭的投加量一定 ,活性炭上的吸附点位固定不
变 ,对金属离子的吸附容量是固定的 ,所以溶液中
重金属离子的初始浓度越高 ,其去除率越低 。因
此 ,应根据溶液中金属离子浓度的变化调整花生
壳活性炭加入量 ,以便获得较好的处理效果。
2.6　花生壳活性炭的表面形貌及吸附机理分析
由图 6可以看出 ,花生壳活性炭表面形成了
发达的 、类似蜂窝状 、孔径大小不一的孔隙结构。
S EM 分辨出的孔隙属于大孔 ,分布在活性炭的表
面 ,在大孔中应该存在着微孔和中孔 。活性炭中
的大孔起到了通道的作用 ,使吸附质易于进入内
部的微孔和中孔 ,而内部的微孔和对于提高活性
炭的吸附性能具有重要的作用 。
花生壳活性炭对金属离子的吸附机理为金属
离子在活性炭表面的离子交换吸附 、重金属离子
与活性炭表面的含氧官能团之间的化学吸附 、金
属离子在活性炭表面沉积而发生的物理吸附 ,活
性炭上各种活性位点对重金属的吸附也是一个重
要的原因[ 7-8] 。同时 , 金属阳离子和活性炭表面
的阴离子间的静电引力也起了一定的作用。
图 6　花生壳活性炭的 SEM 图
Fig.6　SEM pho tog raph o f peanut shell activ e ca rbon
3　结　论
花生壳活性炭对两种重金属的吸附是一个快
速反应过程 ,可在 60 min内达到平衡 。
花生壳活性炭对溶液中低浓度的 Cu2+的去
除效果明显好于 Ni2+。因为金属离子在活性炭
表面发生的离子交换吸附 ,所带电荷多的离子更
利于吸附 , Cu2+和 Ni2+虽然都带两个电荷 ,但由
于铜的原子序数高于镍 ,所以 Cu2+在活性炭上的
吸附能力要高于 Ni2+ 。
pH 、活性炭投加量是影响吸附效果的主要因
素。花生壳活性炭对溶液中重金属的去除率随
pH(临界 pH 下)的上升而增加 ,两种重金属的去
除率均随活性炭投加量的增大而增加 ,实验确定
对 Cu2+ 、Ni2+溶液的投加量分别为 0.2 、0.4 g 。
目前 椰 壳炭 的 市 场 价 格 在 6 500 ～
15 000 元/ t ,粉末活性炭价格一般在 2 800 元/ t
左右 ,花生壳作为农业废弃物 ,原材料几乎不需要
成本 ,加工成简单的活性炭仅需耗费少量的电能 ,
因此具有巨大的经济价值和市场潜力。用花生壳
制备活性炭用于吸附水中的重金属离子 ,不仅实
现了花生壳在环境保护方面的价值 ,而且为农业
废弃物开发利用开辟了新的途径 , 具有广阔的
前景 。
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