一种磁性生物炭材料对水中Cu2+的吸附机理研究

李楠

(太原学院，山西 太原 030021)

一种磁性生物炭材料对水中Cu2+的吸附机理研究

李楠

(太原学院，山西 太原 030021)

制备了高锰酸钾改性的生物炭吸附材料，并研究其对于重金属离子Cu2+的吸附效果。扫描电镜、X荧光光谱及X射线衍射分析结果表明，氧化锰颗粒存在生物炭的表面，从而增加了吸附效果。高锰酸钾改性生物炭对铜离子的最大吸附量为97.38 mg/g，远大于普通生物炭的26.21 mg/g。为了使生物炭从水中分离，制备了磁性生物炭材料，其对铜离子的最大吸附量可达到96.25 mg/g，说明磁化过程对吸附材料的吸附效果影响较小。

生物炭;KMnO4;Cu(Ⅱ);吸附量

随着工业化进程的快速发展，铜离子对水体的污染问题越来越严重，过多的铜离子不仅会影响动植物的生长，而且会对人体的健康产生一定的危害［1－3］。因此，越来越多的研究者关注如何能快速有效地去除水中的铜离子［4－6］。去除水中铜离子的常见方法包括，混凝、过滤、化学方法、吸附和膜处理方法等［7－11］。在这些方法中，吸附被认为是一种最具前景的方法，因为此方法对有毒物质不敏感，而且对污染物的去除率相对于其他方法较高。目前，很多材料被用来制备吸附剂，如工业废弃物、农业废弃物等，并研究其对于重金属离子(如铜离子等)的吸附效果。

本文研究高锰酸钾改性废弃玉米芯对水中铜离子的吸附能力和机理。为了使吸附后的生物炭易从水中分离，将此生物炭制成磁性材料，研究其对铜离子的吸附能力。

1.1 磁性生物炭吸附材料的制备

从超市收集一些玉米芯，用去离子水清洗干净，并且烘干备用。然后，将烘干的玉米芯尽量弄碎成小颗粒，在氮气的保护下于400℃的马弗炉中烧2 h。之后，用大量去离子水清洗生物炭。将高锰酸钾和生物炭以质量比1∶1的量加入到去离子水中，在100℃环境下搅拌24 h。将沉淀物用大量的去离子水清洗，并在烘箱烘干，便得到高锰酸钾改性的生物炭材料。

磁性生物炭材料的制备方法:将1 g改性生物炭、1 g FeCl3·6H2O和0.75 g FeCl2·4H2O共同加入到去离子水中，用30%的NH3·H2O将混合液的pH值调整到9.0。将混合液在90℃和氮气的保护下搅拌3 h。然后，用大量的去离子水清洗悬浮液，并且真空烘干，便得到磁性的生物炭吸附材料。

1.2 磁性生物炭吸附材料的表征

吸附剂的表面形态采用蔡司的扫描电镜进行分析;采用X射线荧光光谱检测吸附剂表面的元素组成;X射线衍射采用X射线衍射仪进行分析。

1.3 吸附动力学和等温线

吸附动力学实验方案:将0.05 g磁性生物炭加入含有100 mL、50 mg/L Cu2+的锥形瓶中进行吸附实验，将锥形瓶放置在25℃的摇床中进行反应，在反应的48 h之内取锥形瓶中的溶液检测Cu2+的含量。

吸附等温线实验方案:将0.05 g磁性生物炭加入含有100 mL的Cu2+的锥形瓶中进行吸附实验，Cu2+的质量浓度从5 mg/L增加到500 mg/L，将锥形瓶放置在25℃的摇床中进行反应，反应24 h后检测Cu2+的含量。

1.4 影响因素研究

首先，将溶液的pH值分别调到2、3、4、5、6、7进行吸附实验，吸附剂的量为0.5 g/L，研究pH值对磁性生物炭吸附铜离子的影响。然后，将吸附剂的量分别调到0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 g/L，pH值保持在6，研究磁性生物炭的量对铜离子吸附的影响。在整个实验过程中，铜离子的质量浓度一直维持在50 mg/L。

2.1 吸附剂的特性

图1表示高锰酸钾改性玉米芯吸附材料的SEM和EDS分析图。从SEM图可以看出，许多颗粒存在吸附剂的表面，这可能是氧化锰颗粒。正是这些氧化锰颗粒的存在增加了生物炭表面的吸附位点，从而使吸附材料的吸附能力增加。从EDS分析结果可以看出，C、O、K、Mn为高锰酸钾改性玉米芯表面的主要元素，Mn元素的显着的峰表明了高锰酸钾成功地改性了玉米芯的表面。图2表示高锰酸钾改性玉米芯吸附材料的XRD分析结果。由图2可以看出，在2θ=37.1°(103)和2θ=66.2°(002)处有2个显着的峰，这2个峰分别对应的是SiO2和α－MnO2［11］。其中，SiO2为生物炭的组成成分之一;α－MnO2的存在表明了高锰酸钾成功地改性了生物炭的表面，从而增加了生物炭对铜离子的吸附效果。

图1 高锰酸钾改性玉米芯的SEM图和EDS分析

图2 高锰酸钾改性玉米芯的XRD分析

2.2 吸附动力学和等温线分析

单纯的玉米芯生物炭、高锰酸钾改性生物炭和磁性生物炭对铜离子的吸附动力学一阶和二阶计算参数及拟合图如表1和第28页图3～图5。从结果来看，一阶和二阶动力学模型对此吸附过程的拟合效果都较好。对于单纯的玉米芯生物炭来说，二阶动力学模型的拟合度更高;对于高锰酸钾改性生物炭和磁性生物炭来说，其对铜离子的吸附过程更符合一阶动力学模型。单纯的玉米芯生物炭、高锰酸钾改性生物炭和磁性生物炭对铜离子的吸附等温线的langmuir和freundlich模型计算参数及拟合图如表1和第28页图6～图8。从结果来看，单纯的玉米芯生物炭、高锰酸钾改性生物炭和磁性生物炭对铜离子的吸附过程都更加符合langmuir模型，这说明了单层吸附机理为此生物炭材料吸附铜离子的主要吸附机理。此外，从langmuir模型的拟合结果来看，单纯的玉米芯生物炭对铜离子的最大吸附量为26.214 mg/g;而高锰酸钾改性生物炭对铜离子的最大吸附量可以达到97.381 mg/g，这表明高锰酸钾的改性使得玉米芯对铜离子的吸附量大大增加;磁性生物炭对铜离子的最大吸附量为96.248 mg/g，这说明磁性化的过程并没有显着影响改性生物炭对铜离子的吸附效果。

表1 单纯的玉米芯生物炭、高锰酸钾改性生物炭和磁性生物炭对铜离子的吸附动力学和等温线参数①

图3 玉米芯对铜的吸附动力学

图4 高锰酸钾改性玉米芯对铜的吸附动力学

图5 磁性生物炭对铜的吸附动力学

图6 玉米芯对铜的吸附等温线

图7 高锰酸钾改性生物炭对铜的吸附等温线

2.3 影响因素研究

图9表示pH值从2增加到7的过程中，单纯的玉米芯、高锰酸钾改性的玉米芯以及磁性生物炭材料对铜离子吸附效果的变化趋势。从图9可以看出，当pH值从2增加到7时，单纯的玉米芯对铜离子的去除率从3.02%增加到28.11%，高锰酸钾改性的玉米芯对铜离子的去除率从29.12%增加到96.47%，磁性生物炭材料对铜离子的去除率从30.49%增加到98.12%。这一结果表明，随着pH值的升高，磁性玉米芯对铜离子的吸附效果呈现增加的趋势。原因可能是，pH值升高使得磁性生物炭表面发生去质子化作用，从而增加了吸附材料对阳离子铜离子的吸附能力。

图8 磁性生物炭对铜的吸附等温线

图9 pH值的影响

图10 吸附剂量的影响

图10表示吸附剂的量从 0.1 g/L增加到0.9 g/L的过程中，单纯的玉米芯、高锰酸钾改性的玉米芯以及磁性生物炭材料对铜离子吸附效果的变化趋势。由图10可以看出，随着吸附剂的量从0.1 g/L增加到0.9 g/L，单纯的玉米芯对铜离子的吸附率从8.51%增加到45.03%，高锰酸钾改性的玉米芯对铜离子的吸附率从45.87%增加到99.38%，磁性生物炭对铜离子的吸附率从38.98%增加到99.85%。这表明，吸附剂量的增加使得吸附剂表面的吸附位点增加，从而使其对铜离子的吸附率明显增加。

采用高锰酸钾改性玉米芯生物炭，显着地增加了玉米芯生物炭对铜离子的吸附效果，高锰酸钾改性生物炭对铜离子的最大吸附量可以达到97.381 mg/g，远大于单纯的玉米芯生物炭对铜离子的最大吸附量26.214 mg/g。为了使生物炭吸附材料能够较容易地从水中分离出来，本文采用磁性化方法制备了具有磁性的生物炭吸附材料，其对铜离子的最大吸附量可以达到96.248 mg/g，这表明了磁性化过程并没有显着影响改性生物炭对铜离子的吸附能力。

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Adsorption mechanism of a magnetic biochar on Cu2+in water

LI Nan

(Taiyuan University，Taiyuan Shanxi 030021，China)

In this work，a kind of biochar derived from waste corncob was modified by KMnO4and used for effective Cu(Ⅱ)removal.The SEM，EDS，and XRD analysis demonstrated that manganese oxides particles loaded onto biochar enhanced the absorption ability.The maximum absorption capacity of Cu(Ⅱ)on the KMnO4modified biochar(MB)was 97.38 mg/g，which was greater than that of pure biochar 26.21 mg/g.In order to separate biochar from treated water，magnetic biochar(MMB)was prepared.The maximum removal capacity of Cu(Ⅱ)was 96.25 mg/g，meaning that magnetization process slightly affected Cu(Ⅱ)removal ability of MB.

biochar;KMnO4;Cu(Ⅱ);adsorption capacity

TQ424;O647.3

A

1004－7050(2016)06－0026－04

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.08

2016－10－12

李 楠，女，1986年出生，2012年毕业于北京交通大学，硕士研究生，助教，从事污水处理研究。