堆肥对水体重金属铜和锌的吸附性能研究

摘 要：通过堆肥吸附水体中重金属铜和锌的试验，探究吸附时间、水体pH值、堆肥添加量、振荡速率、重金属离子浓度等对水体中重金属铜和锌去除率的影响。结果表明：堆肥在添加量为8～10 g/L，重金属离子初始浓度为100～200 mg/L、pH值在3～4的条件下吸附量最大，而振荡速率的影响不大；水体中铜和锌的吸附动力学方程符合准二级动力学方程，以化学吸附为主。

关键词：堆肥；重金属离子；水体；动力学方程

中图分类号：S141.4 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2014）07-0032-03

重金属离子有毒性，且在环境中不易转化。环境中的重金属离子通过各种途径进入水体，经过生物链的富集，最终由水产品进入人体，对人的健康产生危害。研究人员尝试多种处理方法以去除水体中的重金属离子，传统的方法有：活性炭吸附、离子沉淀、弗雷德盐、离子交换树脂吸附等[1-4]。近年来，为降低成本、提高经济效益，前人对廉价高效的吸附剂进行了探索研究，包括天然矿物、稻壳灰、松果等[5-8]。根据实际情况选择适宜的吸附剂，对于经济有效地处理含重金属离子的废水具有重要意义。堆肥中含有大量腐殖物质，有研究表明，腐殖质能有效吸附、固定重金属离子[9-10]。采用堆肥处理含重金属的水样，来探究堆肥对重金属铜和锌的吸附效果，并确定最佳吸附时间、温度、水体pH值、堆肥添加量、振荡速率、重金属离子浓度等参数，以达到较好的吸附效果，为堆肥经济有效的资源化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

堆肥为普通有机肥，水洗烘干后研磨成粉，装袋备用。堆肥主要由腐殖酸、胡敏酸组成。用CuSO4·5H2O和ZuSO4·7H2O分别配制成200 mg/L的Cu2+和Zn2+母液，再分别稀释成0、0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L和0.2、0.4、0.8、1.6、2.0 mg/L的系列溶液备用。

1.2 吸附试验

为研究不同条件下堆肥对重金属铜离子和锌离子的吸附性能，试验采用单一控制变量法[12-17]，即在其他因素不变的情况下，只改变其中一个因素，以此来确定最佳吸附条件。试验设吸附样品和两组平行样品，且试验操作中加入5% HNO3以固定Cu2+、Zn2+。所有试验均设3次重复。

1.3 分析方法

采用3500G型原子吸收分光光度计测定溶液中Cu2+和Zn2+的浓度。

采用表观吸附动力学模型中的准一级吸附动力学方程[式（1）]、准二级吸附动力学方程[式（2）]拟合吸附动力学数据[11]：

（1）

（2）

式中：qt和qe分别为平衡时和t时刻的Cu2+或Zn2+吸附量（mg/g）；k1为拟一级吸附速率常数（min）；k2为拟二级吸附速率常数[mg/（g·min）]。

1.4 数据处理及统计

数据采用Excel2003进行数据处理和采用SPSS18.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 吸附时间对堆肥吸附Cu2+和Zn2+的影响

吸附时间对堆肥吸附Cu2+和Zn2+的影响见图1。由图1可知，堆肥对水样中Cu2+或Zn2+的去除率随吸附时间的延长而增大。吸附速率在前6 h内很快，然后慢慢降低，当吸附时间达到12 h时，吸附曲线呈现出平台，到24 h时吸附基本达到平衡，此时Cu2+或Zn2+的去除率分别为32.7%和36.6%，吸附量分别为1.56 mg/L和0.57 mg/L。这是由于堆肥表面的羟基和氨基等活性基团很多，在反应初期能快速与Cu2+或Zn2+发生离子交换反应，形成络合物而被去除，而随着活性基团的减少和堆肥的内部扩散，逐渐达到吸附的动态平衡。

2.2 堆肥添加量对堆肥吸附Cu2+和Zn2+的影响

按设置称取不同质量的堆肥于50 mL离心管中，准确移取25 mL Cu2+或Zn2+母液，30℃，150 r/min振荡吸附，48 h后取样过滤，准确移取过滤液1 mL于50 mL容量瓶中，再加入5%的硝酸1 mL，蒸馏水定容，摇匀，计算Cu2+或Zn2+的去除率。吸附剂添加量对堆肥吸附Cu2+和Zn2+的影响见图2。由图2可知，Cu2+或Zn2+随着堆肥吸附剂添加量的增加，离子去除率呈逐渐上升趋势后趋于稳定。当投入量大于8 g/L，Cu2+或Zn2+的离子去除率分别达到77.7%和77.6%，且极显著高于其他两个温度的去除率（P<0.001）。因此，堆肥吸附剂对Cu2+或Zn2+的最佳吸附剂添加量为8～10 g/L较为适宜。

2.3 振荡速率对堆肥吸附Cu2+和Zn2+的影响

由图3可知，Cu2+的去除率在振荡速率0、50、100和150 r/min时呈略微下降趋势，在200 r/min时去除率达到36.0%，且极显著高于其他振荡速率（P<0.01）。而Zn2+的去除率在振荡速率为0和50 r/min两种情况下最高，且极显著高于其他振荡速率（P<0.05）。因此，堆肥吸附剂对Cu2+和Zn2+的最佳吸附振荡速率为200 r/min和0～50 r/min，但Cu2+的去除率在0 r/min时也达到了31.0%，综合考虑设备和经济效益方面，研究认为在吸附过程中无需振荡。

2.4 金属离子初始浓度对堆肥吸附Cu2+和Zn2+的影响

如图4所示，Cu2+的初始浓度为100～200 mg/L时，随着初始浓度的增加，离子去除率由17.8%逐渐上升至27.4%，Cu2+的初始浓度大于200 mg/L后，随着浓度的提高，Cu2+的去除率呈下降趋势。Zn2+的初始浓度也表现出同样的趋势，去除率的峰值出现在初始浓度为100～200 mg/L。因此，采用堆肥处理含重金属Cu2+或Zn2+水样，适宜初始浓度范围为100～200 mg/L，其中Cu2+和Zn2+的最佳吸附初始浓度分别为200 mg/L、100 mg/L。

2.5 pH值对堆肥吸附Cu2+和Zn2+的影响

如图5所示，采用堆肥去除水体中的Cu2+，水体pH值在1～4时，Cu2+的去除率稳步上升，由17%升高到21%；当pH值>4时，水体中出现悬浮物，所以堆肥吸附Cu2+的最佳水体pH值应低于4。采用堆肥去除水体中的Zn2+，pH值在1～2时，Zn2+的去除率不到3%；在3～6时，Zn2+的去除率基本维持在18%左右。因此，堆肥处理含Cu2+或Zn2+的水体最佳pH值宜保持在3～4。在酸性溶液中，堆肥有机物分子链中氨基N原子多处于质子化状态，随着酸度的减小（pH值增加），氨基N原子质子化程度减小，氢离子的竞争效应减弱，对金属离子的配合作用加强，在2

2.6 堆肥对Cu2+和Zn2+的吸附动力学分析

准一级速率方程和准二级速率方程参数列于表1。准一级速率方程和准二级速率方程的相关系数均较高，且二级动力学拟合相关系数均大于一级动力学拟合相关系数，说明堆肥吸附剂对Cu2+和Zn2+的吸附过程中，化学吸附和物理扩散并存，化学吸附为主，吸附速率主要受化学吸附控制。

3 结 论

采用堆肥吸附含重金属的污染水样，探究堆肥对重金属铜和锌的吸附效果，并确定最佳吸附时长，水体温度，水体pH值，堆肥添加量，振荡速率，重金属离子浓度等因素，以达到较好的去除效果，为堆肥经济有效的资源化利用提供科学依据。

（1）堆肥对Cu2+或Zn2+的去除率都随着吸附时间的延长而增大，24 h时基本达到平衡，吸附过程可用拟二级动力学方程拟合。

（2）堆肥吸附含重金属的污染水样，添加量为8～10 g/L较为适宜，同时含重金属的污染水样的初始浓度以100～200 mg/L为宜、pH值宜保持在3～4为佳，综合考虑设备和经济效益方面，研究认为在吸附过程中无需振荡。

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（责任编辑：卢红玲）

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