摘要：活性炭是一種具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積的碳質(zhì)吸附材料，在污水凈化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)單一變量原則，波濤活性炭廠(chǎng)家研究了粉狀活性炭對(duì)水中重金屬離子Cr（VI）、Cu（ Ⅱ）和Fe（Ⅲ）的吸附作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粉狀活性炭能有效去除3種重金屬離子，且去除效果受溫度、吸附時(shí)間、活性炭用量、溶液pH值的影響。隨著活性炭用量、溫度或吸附時(shí)間的增加，3種離子的去除率先增后減，而溶液pH值增加時(shí)，Cu（Ⅱ）離子的去除率幾乎不變，Cr（VI）和Fe（Ⅲ）離子的去除率卻逐漸降低。吸附時(shí)間超過(guò)30min時(shí)，粉末狀活性炭對(duì)3種離子中的Cu（Ⅱ）離子去除效果好，去除率達(dá)90%以上。Cu（Ⅱ）離子的去除較優(yōu)條件為40℃（溫度）、30min（吸附時(shí)間）、0.15g（活性炭用量）和2.0（pH）。
污水及工業(yè)廢水中所含的汞、鉻、鎳、銅、鐵等有害重金屬離子具有不可降解性，容易在生物體內(nèi)聚集，會(huì)嚴(yán)重影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)的健康。目前，處理水中重金屬離子的方法有化學(xué)沉淀、吸附電解、離子交換和膜分離等。吸附法以其高經(jīng)濟(jì)和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。
活性炭是一種具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積的碳質(zhì)吸附材料，常被作為吸附劑處理污水中的各種重金屬離子。采用兩種不同改性方法對(duì)活性炭纖維（ACF）進(jìn)行改性處理，比較其對(duì)水中Pb（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）和Co（Ⅱ）離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附效能。結(jié)果表明，ACF對(duì)三種重金屬離子吸附速率較快，吸附60min基本達(dá)到平衡，初始pH變化直接影響ACF對(duì)Pb（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）和Co（Ⅱ）離子的去除效果。3種ACF對(duì)重金屬離子的親和力順序均為Pb（Ⅱ）>Cu（Ⅱ）>Co（Ⅱ），隨著平衡質(zhì)量濃度的增加，其對(duì)Pb（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）離子的吸附量加大，而對(duì)Co（Ⅱ）離子的吸附量呈先增加再下降趨勢(shì)。有關(guān)報(bào)道采用活性炭去除水中硒。
活性炭投人量和水的pH值與活性炭吸附效率具有直接關(guān)系。水體中硒的濃度為40ug/L，活性炭投入量為5g/L時(shí)，水體中硒的除去率為81.23 %，水中殘留的硒濃度約為6.82ug/L，已經(jīng)符合國(guó)家規(guī)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)（硒濃度10ug/L）。而凈化水pH為1.5時(shí)，凈化效率為64.23%，升高水體pH達(dá)6以上時(shí)，凈化率達(dá)94%以上，達(dá)到較佳凈化效果。Cr（VI）、Cu（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）離子是污水中常見(jiàn)的重金屬離子，本文采用粉狀活性炭對(duì)其進(jìn)行了吸附研究，并探討了溫度、吸附時(shí)間、活性炭用量、pH值對(duì)吸附作用的影響，以期尋找吸附的較優(yōu)條件。
波濤活性炭廠(chǎng)家現(xiàn)將“粉狀活性炭對(duì)水中重金屬離子的吸附性能”實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：
一、粉狀活性炭用量對(duì)吸附去除率的影響
粉狀活性炭用量對(duì)吸附去除率的影響，充分反應(yīng)后冷至室溫，反復(fù)清洗并抽濾，其去除率結(jié)果見(jiàn)圖1。
活性炭表面的孔隙結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)是評(píng)價(jià)活性炭吸附能力的主要指標(biāo)。由圖1可知，投碳量相同時(shí)，粉狀活性炭對(duì)Cu（Ⅱ）離子的吸附能力遠(yuǎn)大于Fe（Ⅲ）和Cr（VI）離子。隨著粉狀活性炭投加量的增加，粉狀活性炭對(duì)三種金屬離子的去除率逐漸增加，其中，F(xiàn)e（Ⅲ）離子的去除率增加較快。當(dāng)活性炭用量為0.15g時(shí)，Cu（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）離子的去除率達(dá)到較大值，分別為97.34%和84.26%，而活性炭用量為0.20g時(shí)，Cr（VI）離子的去除率達(dá)到較大值，為81.86%，與活性炭用量為0.15g時(shí)的去除率（81.34% ）僅相差0.52%。之后再繼續(xù)增加投碳量，三種重金屬離子的去除率變化不明顯，吸附達(dá)到飽和。
二、pH值對(duì)吸附去除率的影響
pH值對(duì)吸附去除率的影響，充分反應(yīng)后冷至室溫，反復(fù)清洗并抽濾，其去除率結(jié)果見(jiàn)圖2。
溶液pH值可以改變活性炭表面官能團(tuán)的電離狀態(tài)和金屬離子存在形式，對(duì)活性炭吸附重金屬離子有著重要影響。由圖2可看出，粉狀活性炭對(duì)Cr（VI）和Fe（Ⅲ）離子的吸附效果受溶液pH值影響較大，而對(duì)Cu（Ⅱ）離子影響較小。pH =2.0時(shí), Cr（VI）和Fe（Ⅲ）離子的去除率較大，分別為86.82%和80.18%。而隨著pH值的增加，Cr（VI）和Fe（Ⅲ）離子的去除率逐漸減小。其中，對(duì)于Cr（VI）離子來(lái)說(shuō)，溶液pH值較小時(shí)，Cr（VI）離子主要以鉻酸氫根（HCrO4-）形式存在，活性炭表面富有含氧官能團(tuán)，能與鉻酸氫根形成氫鍵，Cr（VI）離子去除率高；而當(dāng)pH值增加時(shí)，Cr（VI）離子主要以鉻酸根（CrO42-）存在，在同等量下的Cr（VI）離子，CrO42-結(jié)合的官能團(tuán)要比HCrO4-多，同時(shí)溶液中的OH-也會(huì)消耗活性炭表面的酸性官能團(tuán)，使得Cr（VI）離子去除率會(huì)一直降低。pH=4.0時(shí)，Cu（Ⅱ）離子的去除率達(dá)到較大值，為95.53% ,與pH=2.0時(shí)的去除率（93.42% ）相差2.11%。溶液pH在2~7之間相同時(shí)，粉狀活性炭較易去除Cu（Ⅱ）離子。
三、溫度對(duì)吸附去除率的影響
溫度對(duì)吸附去除率的影響，充分反應(yīng)后冷至室溫，反復(fù)清洗并抽濾，其去除率結(jié)果見(jiàn)圖3。
三種離子的去除率均隨溫度升高呈先增后減的趨勢(shì)。溫度為40℃時(shí)，它們的去除率大，分別為98.17%、82.54%、86.41%。其原因?yàn)闇囟鹊纳叽龠M(jìn)了液體內(nèi)分子的熱運(yùn)動(dòng)，加快了吸附平衡；而溫度過(guò)高，降低了活性炭表面官能團(tuán)和金屬離子之間的絡(luò)合作用，導(dǎo)致吸附性能發(fā)生一定程度的下降。同Cr（VI）和Fe（Ⅲ）離子相比，粉狀活性炭對(duì)Cu（Ⅱ）離子的吸附作用受溫度的影響較小，Cu（Ⅱ）離子的去除率均在90%以上，且大于Cr（VI）和Fe（Ⅲ）離子。所以，粉狀活性炭對(duì)試驗(yàn)三種重金屬離子的吸附效果較佳溫度為40℃。
四、吸附時(shí)間對(duì)吸附去除率的影響
吸附時(shí)間對(duì)吸附去除率的影響，充分反應(yīng)后冷至室溫，反復(fù)清洗并抽濾，其去除率結(jié)果見(jiàn)圖4.
粉狀活性炭對(duì)三種離子的吸附均經(jīng)歷了快速吸附、慢速吸附、后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，活性炭表面的活性位點(diǎn)、孔隙與金屬離子相結(jié)合，傳質(zhì)動(dòng)力減少，吸附速度也因此而減慢直至達(dá)到平衡。其中，Cu（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）離子的去除率變化曲線(xiàn)非常相似。吸附時(shí)間為30min時(shí)，經(jīng)過(guò)快速吸附，兩種離子的去除率達(dá)到較大值，分別為94.21%和82.34%；而吸附時(shí)間為120min時(shí)，它們的去除率變化微小，小于1.05%，說(shuō)明粉狀活性炭對(duì)Cu（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）離子的吸附時(shí)間達(dá)到30min時(shí)，吸附開(kāi)始達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，并且，粉狀活性炭對(duì)Cu（Ⅱ）離子的去除效果要優(yōu)于Fe（Ⅲ）離子。而對(duì)于Cr（VI）離子，當(dāng)吸附時(shí)間為90min時(shí)，其去除率達(dá)到較大值，為94.15%。
五、結(jié)論
采用粉狀活性炭對(duì)水中重金屬離子Gr（VI）、Cu（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）進(jìn)行了吸附研究結(jié)果表明，粉狀活性炭對(duì)三種離子的吸附效果受活性炭用量、溶液pH值溫度吸附時(shí)間的影響。活性炭用量、溫度或吸附時(shí)間增加，三種離子的去除率先增后減，而溶液pH值增加，Cu（Ⅱ）離子的去除率變化很小，Cr（VI）和Fe（Ⅲ）離子的去除率卻逐漸降低。綜合來(lái)看，粉狀活性炭去除Cr（VI）、Cu（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）離子的條件為：溫度為40℃，吸附時(shí)間為30min，活性炭用量為0.15g，溶液pH為2.0，且在該條件下，Cu（Ⅱ）離子的去除效果好，其次是Fe（Ⅲ）和Cr（VI）離子。總之，可采用粉狀活性炭對(duì)含有Cr（VI）、Cu（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）重金屬離子的污水進(jìn)行有效處理。