棉秆生物质炭对Cr(Ⅵ)吸附的综合设计实验_杨鑫宇.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023棉秆生物质炭对 Cr()吸附的综合设计实验杨鑫宇,吕喜风,赵俭波(塔里木大学化学化工学院,新疆 阿拉尔 843300)摘 要:设计了物理化学综合实验“棉秆生物质炭对废水中 Cr()的吸附”,使学生通过实验了解我国重金属污染现状及危害,提高环保意识,掌握棉秆生物质炭的制备方法,固体吸附过程的影响因素以及吸附动力学相关参数求解。本实验将物理化学理论知识与实际生活问题相结合,既提高了学生对物理化学学习的兴趣,又加强其对知识点的融会贯通,培养了学生的创新思维,提升了综合素质。关键词:物理化学;生物质;吸附;吸附动力学中图分类号:G642.0 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0255-04 基金项目:塔里木大学物理化学一流本科课程建设(TDYLKC202121);塔里木大学课程思政教学研究中心专项(TDGJSZ2109);塔里木大学物理化学课程思政示范团队项目(TDKCSZ12101);塔里木大学校长基金(TDZKSS202127);塔里木大学一流本科专业建设(YLZYXJ202108)。第一作者:杨鑫宇(1995-),男,讲师,主要从事环境功能材料。通讯作者:赵俭波(1982-),男,教授,主要从事生物质材料和凝胶材料。Comprehensive Design Experiment of Cr()Adsorption byCotton Stalk Biomass CarbonYANG Xin-yu,LV Xi-feng,ZHAO Jian-bo(College of Chemistry and Chemical Engineering,Tarim University,Xinjiang Alar 843300,China)Abstract:A comprehensive Physical Cchemistry experiment“adsorption of Cr(VI)in wastewater by cotton stalkbiomass carbon”was designed to enable students to understand the current situation and harm of heavy metal pollution inChina,improve their awareness of environmental protection and master the preparation methods of cotton stalk biomasscarbby,the influencing factors of solid adsorption process and the related parameters of adsorption kinetics.Thetheoretical knowledge of Physical Chemistry was combined with real life problems,which not only enhanced studentsinterest in Physical Chemistry learning,but also strengthened their mastery of knowledge points,cultivated innovativethinking and improves students comprehensive quality.Key words:Physical Chemistry;biomass;adsorption;adsorption kinetics物理化学作为化学学科的一个重要分支,是化学化工类专业本科生的一门主干基础课。理论性及抽象性较强,难度较大,知识面广,为了激发学生的学习兴趣,教师在进行课堂授课的同时,可以结合有趣的实验,将书本知识和生活问题紧密结合,激发学生的学习兴趣。让学生体会到本课程与实际生活的密切相关性。重金属离子 Cr()具有毒性强、降解难的特点,能随着食物链进入生物体,严重危害人体和其他生物体健康1-2。重金属吸附问题主要涉及物理化学中固体的表面吸附知识。本实验以新疆地区丰富的生物质棉秆为原料,制备出棉秆生物质炭颗粒用作重金属吸附剂,其具有较高的孔隙率、较大的比表面积,含有较多的活性基团(羟基、芳香基及一些含氧基团),可以通过物理吸附、离子交换、静电吸引和螯合等多种方式吸附重金属离子,且生物质棉秆来源广、价格低,因此生物质炭吸附剂在重金属吸附领域具有独特的优势3-4。本实验结合新疆地区过剩棉秆生物质资源,设计了“棉秆生物质炭对废水中 Cr()的吸附”实验,该实验综合性较强,关联动力学和热力学内容,强化学生对不同章节知识点的理解,且具有一定的趣味性,在增强学生环保意识的同时,可进一步提升学生的动手能力和探索思维能力,满足学生的好奇心,培养创新思维,提升学生的综合素质,让学生在实验中掌握吸附过程的影响因素、吸附动力学及热力学的相关知识。通过实验引导学生自主查阅相关文献,设计科学的实验步骤,并能够独立完成数据分析。1 实验目的(1)了解水中重金属离子 Cr()的来源、危害及其常用去除方法;(2)了解新疆地区过剩棉秆的处理方法,棉秆生物质炭的制备、成分组成和应用问题;(3)掌握吸附实验的操作步骤和二苯碳酰二肼(DPCI)分光光度法测定溶液中 Cr()含量的操作方法;(4)学会用图解法求吸附过程中动力学常数;(5)将日常生活与科学问题相联系,增强学生对科技发展、256 广 州 化 工2023 年 1 月社会热点的关注,提高创新意识。2 实验原理使用吸附法去除水中的重金属离子具有投资小,设备简单,吸附速度快等优点5-7。将棉秆烘干粉碎后,在马弗炉内隔绝空气高温烧结得到的棉秆生物质炭颗粒具有较高的比表面积、多孔结构,含有较多的活性基团(羟基、芳香基及一些含氧基团),对重金属离子具有快速高效的吸附作用8-9。在吸附温度一定条件下,固液界面吸附达到平衡时,根据式(1)和(2)计算棉秆生物质炭吸附剂对重金属离子的平衡吸附量(q,单位为 mgg-1)和吸附去除率(,单位为%)。q=C0-CemV(1)=C0-CeCe100%(2)C0和 Ce分别为 Cr()初始浓度和吸附平衡时浓度,mgL-1;V 为溶液体积,mL;m 为吸附剂用量,mg。为进一步研究吸附过程,采用准一级动力学方程(3)、准二级动力学方程(4)对吸附数据进行拟合10。k1(min-1)、k2(gmg-1min-1)分别为准一级、准二级动力学常数。ln(qe-qt)=lnqe-k1t(3)tqt=1k2q2e+tqe(4)3 试剂和仪器3.1 实验试剂重铬酸钾(GR),阿拉丁试剂有限公司;二苯氨基脲(AR),麦克林试剂有限公司;丙酮(AR),杭州双林化工试剂厂;氢氧化钠(CP),杭州萧山化学试剂厂;盐酸(GR),国药集团化学试剂有限公司;硫酸(CP),衢州巨化试剂有限公司;磷酸(AR),上海凌峰化学试剂有限公司;实验所用的生物质棉秆来自新疆阿克苏地区阿拉尔市,将田间收集来的棉秆用去离子水多次洗涤,置于 60 烘箱中干燥 24 h,粉碎,密封储存备用。3.2 实验仪器紫外可见分光光度计(UV2400 型),上海舜宇平科学仪器公司;超声波信号发生器(BILON-1000D),西安比朗生科有限公司;pH 计(PHS-3C 型),上海精科仪器有限公司;真空干燥箱(DZF-6050),上海一恒科学仪器有限公司;马弗炉(HM1200),郑 州 弘 成 智 能 科 技 有 限 公 司;电 子 天 平(ME204E),梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;全温培养振荡器(TQZ-312),上海精宏实验设备有限公司。4 实验步骤4.1 溶液的配制铬的标准储备液(500 mgL-1):将重铬酸钾于100 干燥5 h,称取干燥好的重铬酸钾固体 0.7072 g,蒸馏水溶解后定容至 500 mL,摇匀。即得 500 mgL-1铬标准储备液。铬标准溶液(50 mgL-1):吸取 25 mL 铬的标准储备液于250 mL 容量瓶,使用蒸馏水稀释至容量瓶的标准刻度线,摇匀,即得 50 mgL-1铬标准溶液。显色剂:称取二苯基碳酰二肼 0.1 g 溶解于 25 mL 丙酮溶液,加蒸馏水稀释至 50 mL,混合均匀后置于棕色瓶保存使用,溶液颜色发生变化后,需要重新配显色剂。标准曲线溶液:量取 50 mgL-1的铬标准溶液 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL 于 50 mL 容量瓶,用蒸馏水定容至刻度线,配制一系列浓度梯度为 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mgL-1的铬标准曲线溶液。采用二苯碳酰二肼(DPCI)分光光度法于 540 nm 处测定吸光度,绘制铬的标准溶液工作曲线,如图 1 所示。图 1 Cr()标准工作曲线Fig.1 The standard working curve of Cr(VI)4.2 吸附试验配制初始浓度为 20 mgL-1的 Cr()模拟废水,实验中用稀 HCl 和 NaOH 调节溶液 pH 值,取 50 mL 模拟废水于锥形瓶,棉秆生物质炭吸附剂投加量4 gL-1,吸附温度303 K,振荡吸附 240 min,吸附完成后,取上清液采用二苯碳酰二肼(DPCI)分光光度法于 540 nm 处测定吸光度,根据公式(1)计算吸附容量。5 结果与讨论5.1 初始 pH 值对吸附的影响图 2 pH 值对吸附的影响Fig.2 Effect of pH value on adsorptionCr()初始浓度20 mgL-1,吸附剂 4.0 gL-1,T=30 时,探究 pH 值对吸附的影响。Cr()在溶液中有多种存在形式(H2CrO4、HCrO-4、CrO2-4),溶液 pH 值影响 Cr()的存在形式,不同形式存在的 Cr()被吸附所需要的吸附自由能不同,从图 2 可以看出,pH 值由 1 增大至 2 时,棉秆生物质炭吸附剂对 Cr()的吸附量呈上升趋势,pH=2 时,吸附量达到最大,此时 Cr()是以 HCrO-4离子存在,吸附自由能最小,最容易被吸附,之后随着 pH 值继续增大,溶液中的 Cr()逐渐转变第 51 卷第 2 期杨鑫宇,等:棉秆生物质炭对 Cr()吸附的综合设计实验257 成以 CrO2-4为主要存在形式,所需的吸附自由能较大,吸附量逐渐减小。因此,后续试验均在 pH 值为 2 的条件下进行。5.2 吸附剂投加量对 Cr()吸附性能影响图 3 吸附剂投加量对吸附的影响Fig.3 Effect of adsorbent dosage on adsorption在 pH=2,Cr()初始浓度 20 mgL-1,T=30 条件下,考察棉秆生物质炭吸附剂投加量对吸附的影响。由图 3 可知,随着棉秆生物质炭吸附剂投加量的增加,吸附剂总的活性位点也越来越多,对 Cr()的去除率增大。但是,因为新吸附剂的加入,破坏了之前达到的固液平衡,原来的吸附剂表面吸附的Cr()会解吸,平衡吸附量减小。随着吸附剂投加量的增加,其对 Cr()的平衡吸附量是减小的,而去除率是增大的,选择交点附近的用量较好。本实验吸附剂的投加量为 4.0 gL-1较优。5.3 吸附动力学在 pH=2,Cr()初始浓度 20 mgL-1,吸附剂投加量4.0 gL-1,T=30 条件下,分别在吸附 5,10,20,40,60,90,120,180,240 min 时取样测定溶液中 Cr()的浓度,结果如图 4 所示。由图可知,棉秆生物质炭吸附剂对 Cr()的吸附反应 3 h 后基本达到吸附平衡。图 4 棉秆生物质炭吸附 Cr()的吸附量随时间变化曲线Fig.4 Curve of Cr(VI)adsorption capacity of cottonstal