楊力

（西安航天城第一小學，陜西 西安710100）

1 引 言

自然界中的重金屬大多數是以單質或化合物形式存在于地球上，因此是不會對自然的生態(tài)環(huán)境以及人類的生活產生太大的威脅[1-3]。但是這些年，由于社會的發(fā)展需要，對金屬礦物的開采量持續(xù)增多以及現代工業(yè)的日益發(fā)展，化妝產品添加有增白作用的重金屬汞，汽車尾氣、印刷場所，甚至生活中的油漆涂料等等都含有重金屬，這些對人的健康產生一系列的危害。此外，工業(yè)生產者缺乏環(huán)境保護的意識，工廠為了減少廢物處理利用的資金等等造成大量的含汞、銅、鉻等重金屬離子的工業(yè)廢水沒有經過處理就直接排入江河水體之中，使得水源中重金屬積累加劇，造成嚴重的影響。由此可見，重金屬污染對我們生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)及人類健康以及后代的健康都有著巨大的危害，如何有效地減小重金屬離子對人類的危害是當今社會急需解決的問題[4]。近年來，環(huán)境保護領域也開始密切地關注著重金屬污染及其除去方法研究。

工業(yè)廢水處理中最常見的重金屬移除有以下三大類：物理法去除、化學法去除以及生物法去除。傳統(tǒng)的吸附劑有粘土、沸石、活性炭、二氧化硅等材料，這些吸附劑的吸附容量、吸附效率較低。因此，新興吸附劑生物炭應運而生。生物炭是指含碳的有機物質在缺少氧氣的條件下經過一段時間熱解得到的一種含碳多孔結構的難溶的固體產物。傳統(tǒng)的生物炭的制備方法是將農作物秸稈、稻草、稻殼等有機廢物以及家禽的糞便、生活垃圾污泥等棄物作為制備原料，把棄物堆積后用泥土覆蓋表面燃燒，堆積的物質材料燃燒生成的產物就是生物炭[6]。傳統(tǒng)的生物炭具有良好的吸附性能，因為產物表面有著較多的含氧官能團可以進行離子交換應用于廢水處理吸附重金屬。雖然生物炭傳統(tǒng)的制備方法簡單，但是在空氣中直接燃燒會放出有害氣體造成空氣污染。如今人們最常用的制備生物炭的方法慢速熱解制備，此方法得到的生物炭產物的產率較高，吸附效果好。生物炭主要含有的是C、O、H 元素以及少量金屬元素例如鈣鎂元素[5]。產物中元素的含量以及結構的穩(wěn)定性會因為制備的原料、方法以及溫度的不同而產生差異。溫度越高，產生的生物炭的結構越穩(wěn)定。生物炭的表面有含氧基團，因此有著比較好的親水性以及良好的吸附效果。生物炭具有多孔結構，它的比表面積大并且有著良好的吸附效果及吸附后可以回收利用，循環(huán)利用實驗驗證產物的五次回收利用吸附量還可以達到90%以上。除了廢水重金屬的去除，生物炭還可以減小土壤中重金屬的含量。由此看來，生物炭在農業(yè)、土壤、環(huán)境治理以及廢水處理等方面有著一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

可用于制備生物炭的生物質材料來源比較廣泛，農業(yè)活動產生的有機廢棄物如稻草、稻殼、糞便、生活垃圾以及污泥等棄物均可以作為制備生物炭的原料。有研究人員將生物炭與其他的物質材料、金屬離子等等通過物理、化學方法進行修飾,制備出生物炭的復合材料，比如錳、氮等離子的摻雜[6]。而在制備生物炭上，調節(jié)制備的溫度，加入不同比例的試劑活化生物炭，調整處理樣品的時間其中的某一個任意條件的變化制備出來的生物炭都不相同。實驗證明，經過摻雜制備出的生物炭產物結構上比表面積大，吸附效果更好。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器與試劑

2.1.1 試劑

Cu(NO3)2·6H2O（天津永晟精細化工有限公司）；泡沫（商場廢棄物泡沫箱）；無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、氨水均購自北京化工廠。

2.1.2 儀器

天平，燒杯(50 mL,100 mL)，量筒，容量瓶，玻璃棒，移液管(25 mL)，洗耳球，抽濾瓶，抽濾裝置（真空泵、布氏漏斗、濾紙），ICP 發(fā)射光譜儀ICPS-8100（島津企業(yè)管理有限公司），85-2 恒溫磁力攪拌儀（常州智博瑞儀器制造有限公司）等。

2.2 實驗步驟

將泡沫洗凈后干燥，使其完全燃燒，待生成物（呈黑色）冷卻后取部分，放入研缽研磨至粉末狀，待用。

2.2.1 探究p H 值對吸附效果的影響

首先配置溶液，取0.1 g 的Cu(NO3)2·6H2O 晶體加入50 mL 燒杯中，加入蒸餾水溶解后轉移至100 mL容量瓶，配置成濃度為0.0034 mol/L 的Cu(NO3)2溶液，移液管分別移取25 mL 至錐形瓶中，并標號1、2、3、4、5、6；接著用1 mol/L 鹽酸或者2 mol/L 氨水依次調節(jié)錐形瓶內溶液的pH 至1,3,4,5,7,9。最后稱量0.1 g 的吸附劑，加入錐形瓶中，放入磁力攪拌子，常溫下攪拌2 h 后將溶液取出進行抽濾，溶液保存在原標號瓶中用ICP 發(fā)射光譜儀測量Cu(NO3)2濃度。

2.2.2 探究溫度對吸附效果的影響

本次溫度設置四個區(qū)間，20℃～30℃；30℃～40℃；40℃～50℃；50℃～60℃。取四個錐形瓶，移液管分別移取已經配置好的0.0034 mol/L Cu (NO3)2溶液25 mL 入錐形瓶中，調節(jié)pH 為4，標號(A、B、C、D）并標好溫度區(qū)間后，稱量0.1 g 的吸附劑加入錐形瓶中，放入磁力攪拌子，對應標號的溫度區(qū)間設定好恒溫攪拌儀的最高溫度，在磁力攪拌2 h 后將溶液取出進行抽濾，濾液保存待測量Cu(NO3)2濃度。

2.2.3 探究吸附劑的循環(huán)吸附效率

為探究影響該吸附劑的吸附效率，設計如下實驗。

移液管移取已經配置好的0.0034 mol/L Cu(NO3)2溶液25 mL 轉移到錐形瓶中，用天平稱量0.1 g 的吸附劑加入錐形瓶中，加入磁力攪拌子后開始攪拌，兩個小時以后取出溶液抽濾。抽濾完畢吸附劑和溶液分離后，樣品溶液保存在原錐形瓶中待測量Cu(NO3)2濃度，固體吸附劑依次用無水乙醇、2 mol/L NaOH 以及2 mol/L 的HCl 潤洗，潤洗完畢后120℃下干燥1 d，待用。將處理好的吸附劑重復上述實驗步驟，分別進行五次循環(huán)吸附實驗。

3 結果與討論

3.1 pH 值對吸附效果的影響

表1 pH 值對吸附效果的影響

表1 為pH 值對吸附效果的影響數據表。由表可以得知，本次吸附試驗采用的0.1 g 的吸附劑去吸附0.0034 mol/L Cu(NO3)2溶液，開始調節(jié)pH 時，就會發(fā)現pH 為5 時溶液出現少量渾濁，因為生成藍色Cu (OH)2沉淀，最后抽濾時可以發(fā)現pH 值越高的溶液沉淀生成的量越大[5]?？刂莆竭^程的酸堿度時，溶液的pH 值太高或者過低都會使吸附率降低，數據得出最佳的吸附效果pH 約為4。

3.2 溫度對吸附效果的影響

表2 為溫度對吸附效果的影響數據表。由表可知，在一定溫度范圍內調節(jié)，實驗使用10℃為一個階梯探究溫度與吸附效果的關系。在此次的溫度的設定中，溫度也不能太高，因為攪拌時間比較長，溫度過高水蒸發(fā)了的話就會使溶液的濃度增大，當然我們也可以加蓋子防止水揮發(fā)，但是安全起見溫度不宜太高，最后根據數據得出常溫條件下吸附效果最佳[4]。

表2 溫度對吸附效果的影響

3.3 探究吸附劑的循環(huán)吸附效果

表3 為吸附劑的循環(huán)吸附效果數據表。由表可知，隨著循環(huán)次數的增多，吸附效率逐漸降低，第五次循環(huán)吸附后，吸附效率仍有89.2%，高于其他吸附材料[6]。

表3 吸附劑的循環(huán)吸附效果

4 結 論

重金屬離子污染是環(huán)境污染的重要因素之一，對吸附劑的探索也是迫在眉睫。在眾多的吸附劑中，探索更高效、更環(huán)保的吸附材料是研究者關注的重點。生物炭吸附劑，作為一類環(huán)保型新興吸附劑，進入人們的視線中。本文介紹了生物炭吸附劑的制備方法和吸附特點，并研究了pH 和溫度對吸附效果的影響，以及生物炭吸附劑對銅離子的循環(huán)吸附效率，為生物炭材料的進一步吸附研究提供條件。