稻壳灰与水葫芦灰混合沸石增强对镉离子的吸附
姆布瓜1*姆布维1和J. W. Muthengia2
1肯雅塔大学化学系，肯尼亚内罗毕43844-00100
2恩布大学学院化学系，6-60100肯尼亚恩布
http://dx.doi.org/10.12944/CWE.9.2.08
为了帮助减少或持续控制攻击性水葫芦，有必要探索利用水葫芦生产水修复材料的方法。研究了水葫芦灰(WHA)、水葫芦灰不溶物(WHAR)和稻壳灰(RHA)对污染水体中镉离子和亚甲基蓝的去除能力和效果。这两种灰烬的混合物通过水热反应制成沸石材料。材料A, ZMA是用稻壳灰和WHA的可溶部分制备的，材料B, ZMB是用两种灰的等量混合物，包括WHA的不溶部分。通过批量实验考察了金属离子浓度、初始PH、接触时间、温度、摇动速度和吸附剂用量对Cd去除率的影响２＋亚甲基蓝是由灰烬和它们的沸石产物。得到吸附Cd的数据２＋发现RHA、ZMA和ZMB数据最适合Langmuir等温线模型，而WHA和WHAR数据最适合freundlich模型。RHA、WHA、WHAR、ZMA和ZMB对镉的吸附量分别为3.745、52.00、56.89、11.24和22.22mg/g。结果表明，在沸石材料的合成过程中加入WHAR，提高了沸石材料对Cd (II)离子和亚甲基蓝的吸附能力和效率。
吸附等温线;重金属;沸石;水修复;吸附剂
复制下面引用这篇文章:
张建军，张建军，张建军，等。稻壳灰分子筛对镉离子的吸附性能研究。当代世界环境2014;9 (2)DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.9.2.08
复制以下内容引用此URL:
张建军，张建军，张建军，等。稻壳灰分子筛对镉离子的吸附性能研究。生态学报，2014;9(2)。可以从://www.a-i-l-s-a.com/?p=6262
介绍
占肯尼亚总人口43%的1720万人没有干净的水。造成这一水危机的主要因素包括人口迅速增长、干旱、森林退化、供水管理不善和水污染。如果不立即采取严厉措施，随着工业发展和人口增长，这种水危机可能会恶化。水葫芦的威胁使问题进一步复杂化，因为它不仅污染了我们的水体，而且使肯尼亚的许多湖泊闲置，几乎没有经济活动。农村和城市地区人口的迅速增长对现有的供水系统造成了压力。1这种情况加上供水基础设施不适当，阻碍了许多发展中国家的穷人获得水。2纺织、皮革、造纸、塑料、电镀、水泥、金属加工、木材防腐、油漆、颜料和钢铁制造等轻工业和非正式工业(jua kali)有显著增长。3.这些工业排放大量有毒废物。4最近在肯尼亚进行的研究报告说，露天机械车间是流动和生物可利用的重金属污染物的重要来源。5、6目前存在几种去除溶解重金属的方法，包括离子交换、沉淀、超滤、反渗透、电渗析和吸附。7这些方法中的许多都需要高能量，先进的操作要求或难以处理，并且无法回收金属或材料。因此，最理想的是探索开发廉价水处理材料和遏制或控制水葫芦的可能性。研究结果表明，稻壳和水葫芦可作为制备去除水中重金属的吸附材料的原料。
|
图1:a的高分辨率图片 |
材料与方法
化学物质
将2.745g硝酸镉溶于1000mL蒸馏水中，制得浓度为1000mg/L的镉原液。然后将溶液稀释得到含有0.1、0.2、0.4、0.8、1.6和3.2ppm的标准溶液。在整个实验中使用浓硝酸和氢氧化钠溶液来调节溶液的pH值。
|
图2:高分辨率图片 |
稻壳灰、水葫芦灰及水葫芦渣的制备
水葫芦植物来自内罗毕大坝。然后，它们被运送到实验室，在那里用自来水彻底清洗，去除土壤和灰尘，切成碎片，然后风干一周，使用已经记录的程序。1灰化是在950华氏度的烤箱中进行的o五个小时。将灰混合以得到复合样品。样品经过筛分以获得相同大小的颗粒。图一显示水葫芦灰样本，WHA。将50g水葫芦灰溶解于250cm内，制备水葫芦灰渣(WHAR)3.蒸馏水。把混合物摇五分钟，让它沉淀下来。过滤是用什么做的?滤纸。然后将残留物晒干5个小时。Rice husks were provided by Euros rice millers in Kirinyaga County, Mwea west district. They were then washed several times with distilled water to remove soil and dust, followed by filtration and then dried at 100°. The clean and dry rice husks were burnt in an oven at 500° for 3hrs to obtain ash.Figure II shows a picture of a sample of rice husk ash, RHA.
氢氧化钾溶液
以水葫芦灰为原料，溶解50g WHA，过滤掉残渣，生成1M氢氧化钾。用0.1M盐酸滴定实验测定碱性溶液的浓度。
沸石材料ZMA的合成
将25g稻壳灰调制成3个不锈钢消化弹。在灰分上加入250mL氢氧化钾溶液;将炸弹关闭并放入200度的预热烤箱中，保温24小时。然后让内容物冷却并过滤。固体残渣用蒸馏水洗涤以去除多余的碱，并在105℃下干燥12小时。固体残渣命名为ZMA，如图3所示。
|
图3:高分辨率图片 |
沸石材料B, ZMB的制备
制备ZMB时，将50g稻壳灰和50g水葫芦灰放入反应弹中。在混合物中加入250mL蒸馏水。将炸弹放入200度的预热烤箱中12小时。形成的固体用热蒸馏水洗涤以除去多余的碱。然后在105℃下干燥12小时。样品命名为ZMB，如图4所示。
|
图4:高分辨率图片 |
Cd标准溶液和试验溶液的制备２＋
已知质量，2.745g分析级硝酸镉Cd (NO3.）2)在200毫升蒸馏水中溶解。将所得溶液用蒸馏水稀释至1000mL标记。这是1000ppm的镉原液。将原液连续稀释制备标准溶液。
|
|
仪表
Cd２＋采用原子吸收分光光度计型号AAS 4141, ECIL, India，在波长283.3nm的火焰模式下，采用空气-乙炔火焰，测定了各种溶液中的离子浓度。本研究使用的pH计，型号PHEP, Hanna仪器，意大利，pH范围为2-12，温度为22.7o紫外可见光谱仪。浓度以三份为单位测定。每7个样品后运行一个标准样品和空白样品以检查仪器漂移。采用校准曲线法定量测定重金属浓度。
|
|
批实验
采用温控水浴摇床(DKZ-1 NO.1007827)进行间歇吸附实验。实验在相同的振动速度下进行。每次实验运行，50mL已知浓度的Cd水溶液２＋将离子放入120mL的塑料瓶中，瓶中含有已知质量的RHA、ZMA、ZMB、WHA和WHAR。这些瓶子以150 rpm的恒定摇速和25º的温度搅拌，离心和过滤。Cd的浓度２＋所得滤液中的离子采用火焰原子吸附光谱法测定。Cd数量２＋单位质量吸附的离子和Cd的百分比２＋去除的离子分别由式(1)和式(2)计算
式中qe = Cd量２＋在平衡状态下每单位质量吸附的离子。有限公司=山梨酸盐的初始浓度．Ce=平衡时山梨酸盐的浓度。M =山梨酸的质量(原子质量)。V =溶液体积;
|
|
各参数对Cd的百分比２＋离子吸附
研究了吸附剂剂量、接触时间、初始浓度、pH值和温度等参数对Cd吸附率的影响２＋在保持所有其他参数不变的情况下，通过改变感兴趣的参数来研究吸附的离子。在吸附剂用量为0.1g、温度为25º、搅拌速度为150rpm、pH为5、接触时间为24h的条件下，将初始浓度在10 ~ 500ppm范围内变化，考察初始浓度的影响。在10ppmCd的条件下，以0.02 ~ 2.5g为吸附剂，考察吸附剂用量对吸附效果的影响２＋WHA、RHA和ZMA离子溶液，WHA和ZMB离子溶液100ppm,pH 5，搅拌速度150rpm，温度25º，接触时间2hrs。在吸附剂浓度为0.1g, Cd浓度为10ppm的条件下，研究接触时间在1 ~ 14400min范围内的变化对吸附效果的影响２＋WHA、RHA、ZMA离子溶液，WHA、ZMB离子溶液100ppm，温度25º，搅拌速度150rpm, pH 5。在吸附剂用量为0.1g, Cd含量为10ppm的条件下，pH值在2 ~ 12范围内变化，考察了pH值的影响２＋WHA、RHA、ZMA离子溶液，WHA、ZMB离子溶液100ppm，温度25º，搅拌速度150rpm，接触时间2hrs。
表1:稻壳灰的XRF分析
复合 |
艾尔2O3. |
SiO2 |
K2O |
曹 |
TiO2 |
MnO |
菲2O3. |
%氧化 |
12% |
77% |
1.5% |
1.3% |
0.97% |
0.21% |
7.21% |
从水中去除亚甲基蓝染料
将1g亚甲基蓝用蒸馏水溶解于100ml容瓶中，制得浓度为1000ppm的亚甲基蓝原液。将溶液摇匀以获得均匀性。通过稀释得到不同浓度的溶液。用0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g的WHA、WHAR、RHA、ZMA、ZMB分别与不同浓度的50 ml有色水搅拌2小时，研究亚甲蓝吸附量的影响。然后用whatman 1号滤纸过滤，用紫外分光光度计测定水中的颜色。实验温度为25º，搅拌转速为150rpm。
表2:水葫芦灰的XRF分析
复合 |
艾尔2O3. |
P2O5 |
Cl |
K2O |
曹 |
MnO |
菲2O3. |
氧化锌 |
%氧化 |
1% |
6.0% |
21% |
35.8% |
27% |
7.1% |
1.8% |
0.2% |
结果与讨论
样品描述
用XRF测定RHA、WHA、WHAR、ZMA和ZMB的化学成分，分别见表1、2、3、4和5。如表1所示，RHA是一个很好的SiO来源2和艾尔2O3.因为它分别含有77%和12%。WHA有35.8%的K2其次是27%的CaO和21%的Cl，因此是KOH碱的良好来源。
表3:XRF分析水葫芦残灰，WHAR
复合 |
艾尔2O3. |
P2O5 |
K2O |
曹 |
MnO |
菲203. |
%氧化 |
4% |
9.9% |
9.9% |
54.8% |
15.9% |
5.9% |
镉初始浓度的影响２＋离子
Cd的百分比２＋ZMA、ZMB、WHA、RHA和wharton对离子的吸附受Cd初始浓度的显著影响２＋水溶液中的离子。初始Cd２＋在吸附剂用量为0.1g的情况下，吸附剂的浓度在10ppm ~ 500ppm之间变化。图5显示了初始浓度对Cd去除率的影响２＋离子。Cd的去除百分比２＋在相同的吸附温度和接触时间下，RHA从86.2%提高到99.75%，ZMA从85.45%提高到99.93%，WHAR从99.0%提高到98.1%，wha从50.5%提高到99.5%，ZMB从97.8%提高到99.4%。浓度的进一步增加导致镉离子去除率的下降。这是由于Cd数量的增加２＋离子为一定量的吸附剂。
表4:XRF分析沸石材料A, ZMA
复合 |
艾尔2O3. |
SiO2 |
K2O |
曹 |
TiO2 |
MnO |
菲2O3. |
%氧化 |
7.8% |
75% |
3.3% |
1.1% |
1.3% |
0.45% |
10.45% |
温度对镉离子吸附的影响
温度对Cd脱除的影响２＋如图6所示，初始溶液浓度为0.1 g，接触时间为120min，搅拌速度为150rpm, RHA、WHA、ZMA、WHAR、ZMA和ZMB的初始溶液浓度为10ppm, RHA、WHA和ZMA的初始溶液浓度为100ppm。结果表明，随着温度的升高，WHA、WHAR和ZMB对镉离子的去除率保持不变。当温度从298k升高到374k时，RHA和ZMA对镉离子的去除率迅速下降。随着温度的升高，镉的去除率开始下降，这表明活性位点与镉离子之间的结合相互作用弱，支持物理吸附，这是放热的，因此有利于低温。9
表5:XRF分析沸石材料B, ZMB
复合 |
艾尔2O3. |
SiO2 |
K2O |
曹 |
TiO2 |
MnO |
菲2O3. |
P2O5 |
%氧化 |
10.52% |
76.22% |
2.7% |
1.76% |
0.04% |
2.08% |
2.01% |
4.63% |
吸附剂用量对镉离子吸附的影响
吸附剂剂量分别为0.02、0.04、0.06、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5g / 50mL。随着吸附剂添加量的增加，金属离子的去除率也随之增加，如图7所示。随着吸附剂剂量的增加，结合位点的数量增加，对镉离子的吸附也随之增加。2.0g ZMA、2.5g RHA、0.1g ZMB、1.5g WHA和WHAR的去除率分别为99.99%、99.40%、99.12%和100%。吸附剂剂量的进一步增加对溶液中镉离子的去除没有显著影响。
接触时间对镉离子去除率的影响
在保持其他实验条件不变的情况下，将接触时间从1到1440分钟不等。所得结果如图8所示。结果表明，当使用WHA、WHAR和ZMB时，吸附过程发生迅速，1min后镉的吸附率几乎达到100%。ZMB和WHA之间有重叠。ZMA在30min、90min后的去除率分别为66%、95%，在2h内达到平衡;rhama在30min、90min时的去除率分别为72%、99%，在2h内达到平衡。这表明镉离子与活性位点的键合最好发生在固体表面。10
|
|
PH对镉离子去除率的影响
研究了pH值在2 ~ 12范围内对镉离子去除率的影响。对于ph4,99的RHAat，去除率为99.73%。PH值为9时ZMA含量为32%，PH值为9时水葫芦灰含量为99.7%，PH值为7和9时wha和ZMB含量为99.12%，如图9所示。在低pH下，吸附剂的羧基和氨基官能团被质子化;11因此，金属离子结合的活性位点较少，因此镉离子的吸收较少。此后，镉离子的去除率随ph的增加而降低，这是由于OH−离子的增加导致金属离子在吸附剂吸附界面的吸附减少。12
|
|
镉的Langmuir和Freundlich等温常数
如表6所示，WHA和WHAR的吸附数据最符合R的freundlich模型2= 0.979和0.992，而RHA ZMA和ZMB最符合Langmuir模型2= 0.999, 1, 0.998。WHAR和WHA对Cd的亲和力最高２＋离子吸附量分别为56.89和52.00mg/g。它们的a1/n值也大于1，表明在Freundlich等温模型中吸附过程有利。ZMA和ZMB的吸附容量分别为11.24和22.22mg/g，说明在沸石合成过程中加入不溶性WHAR增强了材料对Cd的吸附２＋离子。研究表明，ZMA、ZMB、WHA、WHAR和RHA均能有效去除镉离子，且WHAR混合ZMB对镉离子的吸附作用增强。
表6:镉的Langmuir和Freundlich等温常数
朗缪尔 |
弗伦德里希 |
|||||
样本 |
问马克斯毫克/克 |
b dm3./ g |
R2 |
1 / n |
Kf毫克/克 |
R2 |
RHA |
3.745 |
5.03 |
0.999 |
0.785 |
7.59 |
0.674 |
世界卫生大会 |
200 |
0.208 |
0.934 |
1．43 |
52.00 |
0.979 |
WHAR |
250 |
0.018 |
0.842 |
1.486 |
56.89 |
0.992 |
ZMA |
11.24 |
22.25 |
1 |
0.385 |
15 |
0.908 |
ZMB |
22.22 |
0.303 |
0.998 |
5.103 |
5.103 |
0.987 |
确认
感谢肯雅塔大学和化学系对我们项目的支持
参考文献
2.蔡霞，蔡霞，蔡霞。2025年全球水资源展望。国际粮食政策研究所(2002)。
3.陈志强，董志强，高昌。台湾高雄港沉积物中重金属的分布与累积。大气化学，(8)，1431-1440(2007)。
4.中国重金属污染:成因、格局与控制。环境科学与污染研究，(3)，192 - 198(2003)。
5.陈建军，张建军，张建军，等。土壤中锌和铜的形态特征及其与土壤污染的关系[J] .环境科学学报，2013,33(3):559 - 564(2013)。
6.陈建军，张建军，张建军，等。土壤中铬和镍的形态特征及其对土壤污染的影响，环境科学学报，(3)，344 - 344(2013)。
7.Burton, F.和Tchobanoglous, G.废水工程处理，处置和再利用(Metcalf and Eddy, Inc .)。麦格劳-希尔，纽约(1991)。
8.王晓明，刘晓明，王晓明，王晓明。水葫芦去除镉和锌的研究进展[j]。亚洲科学，30,93-103(2004)。
9.Mataka LM, Salidu SM, Masamba WRL, Mwatseteza JF。辣木粉和辣木油籽粉对镉的吸附。Int。j .包围。科学。技术3(2):131- 139(2010)。
10.王晓明，王晓明，王晓明，RuizNuìnÞez，王晓明，等。橄榄核去除镉离子的研究进展，环境科学与技术，30(4):649 - 654(2005)。
11.Krishnan, k.a.和Anirudhan, t.s.用蔗渣髓制备的蒸汽活化硫化碳去除水溶液中的镉(II):动力学和平衡研究。水科学，29(2)，147-156(2003)。12.利用农业废弃物:花生壳从水溶液和镀镍工业废水中去除镍(II)。废物管理，15(1)，63-68(1995)。
