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重金属废水和含酚废水是两种毒性较大的废水,通过各种途径进入地表水、地下水、饮用水和土壤中,其对环境的危害引起了广泛的关注。在各种物理化学的处理重金属和含酚废水的方法中,吸附法应用比较普遍,而吸附剂又是吸附法进行废水处理的关键。实际应用中,传统的吸附剂在吸附量,吸附速率,再生利用方面临很大挑战。碳纳米管(CNTs)作为一种新的吸附材料,在水处理中的应用具有很大的发展前景,成为环境领域研究的一个热点。
本实验用次氯酸钠氧化法对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行改性,以pb2+和对硝基苯酚(p-NP)为水中重金属和有机污染物的代表,进行了CNTs去除水中一元组分(pb2+、p-NP)和二元组分(pb2++p-NP)污染物的实验研究,并对吸附机理进行初步探讨。
实验结果表明:对于一元组分的吸附,在碳纳米管用量为0.01～0.045g范围内,pb2+的吸附量随吸附剂用量的增加而减小,p-NP的吸附随吸附剂用量的增加而增加;pb2+和p-NP的吸附反应分为快速和慢速两个阶段,并且均能在反应开始的10min基本达到平衡。随着初始浓度的增大,CNTs对pb2+和p-NP的吸附量逐渐增加。所不同的是,pb2+的吸附量在初始浓度为60mg/L之前增加速度较快,而在此之后pb2+的吸附量增加趋缓。而CNTs的吸附量在实验浓度范围内随初始浓度的增加呈直线增加。pH值在2～6范围内,随pH值的增大CNTs对pb2+的吸附量快速增加,pH值在7～12范围内,随pH值的增大CNTs对pb2+的吸附量基本不变。而对于p-NP的吸附,pH值在2～4范围内,随pn值的增大CNTs对p-NP的吸附量迅速增加,pH值在4～12范围内,对p-NP的吸附量呈快速下降趋势。CNTs对pb2+的吸附能力随温度的增加而变差,p-NP的吸附量随温度的增加而减少。
CNTs对一元组分Pb2+和p-NP的吸附过程适合用拟二级反应动力学方程描述,吸附过程分为两个阶段,第一阶段的表面扩散过程的速率远大于第二阶段的内扩散速率。对于pb2+来说,Langmuir方程和Redlich-Peterson(R-P)方程拟合效果较好(R2＞0.99),对于p-NP来说,Freundlich方程的拟合效果最好(R2＞0.98),CNTs对p-NP的吸附属于多层吸附,同时Tempkin方程的拟合结果表明p-NP分子之间可能会发生反应。CNTs对pb2+和p-NP的吸附反应能够自发地进行。
对于二元组分的吸附,与一元组分的吸附不同的是:一元组分中的p-NP在pH为7之间吸附量基本不变,而pH值为7～12时呈下降趋势,其它各影响因素对吸附的影响与一元组分的吸附影响基本相同。
吸附动力学模型对二元组分p-NP的拟合结果比单独吸附p-NP更为复杂的,除了拟二级动力学方程,Ebvich方程(R2=0.9698)、双常数方程(R2=0.9523)拟合的R2较之单独吸附p-NP(Ebvich方程,R2=0.7664:双常数方程,R2=0.6804)的拟合结果更高,说明二元组分的吸附过程更为复杂。CNTs对p-NP的吸附在低温时表现为单分子层吸附,而高温(40℃)时则更多地表现为多分子层吸附,并且较高温度(40℃)时发生了吸附质之间的反应。
结合Zeta电位、FTIR等测试方法,初步得出CNTS吸附pb2+和p-NP的机理,主要包括静电吸附、表面络合,CNTs表面的羧基、羟基等含氧官能团在吸附去除pb2+和p-NP过程中发挥了重要作用。