随着经济、技术的快速发展，生产活动对金属矿 产品需求量的不断增大，使得重金属污染物大量排 放，水源和土壤的重金属污染日℃加剧，由重金属引 发的环境问题日趋严重^[1]。但重金属在环境中不能被 生物降解，倾向于通过食物链在生物体内积累，从而 导致机体各种疾病和机能紊乱，因此去除污水中的重 金属成为水资源保护的重要内容之一^[2]。在重金属的 污染问题中，铜、锌、铅、镉及其化合物已成为污水中 的重要污染源而备受人们的关注，在环保、卫生、食品 等部门世界各国均有严格的法规限制其允许量^{[3, 4]}。

当前处理重金属污染的方法主要有化学沉淀法、 电化学法、吸附法和膜分离法等，其中吸附法具有操 作简便、成本低廉等优点^[5]。吸附法的效果主要取决于 吸附剂和吸附条件，吸附剂包括物理吸附剂和生物吸 附剂。活性炭作为一种非极性物理吸附剂，来源丰富， 是目前废水处理中应用最广的吸附剂之一，它具有良 好的吸附性能和稳定的化学性质^[6]。近年来，除物理性 吸附剂外，人们也关注用廉价的生物质材料作为生物 吸附剂，如米糠、胡萝卜渣、板栗壳等^{[7, 8]}。其中，板栗壳是板栗食品加工过程中产生的下脚料，生产上尚未开 发利用，其具有天然有机吸附剂的丰富易得、价格便 宜、环境友好等特点，已成为一种经济有效的吸附材 料^[9]。同时，我国是板栗的生产大国，2007年其产量占 当年全球栗子产量的75.61%^[7]，将这些“废物”资源化 利用，具有十分重要的现实意义。本文选用物理吸附 剂活性炭和生物吸附剂板栗壳，对比分析其对重金属 铜、锌、铅、镉的吸附性能及条件影响，以期为废水中 重金属的污染治理提供科学的依据。 1 材料与方法 1.1 材料

吸附剂：活性炭（分析纯、不定型颗粒）先用（1+1） HCl 浸泡1 h，（1+1）HNO₃浸泡0.5 h，然后用2 mol· L^-1的NaOH洗涤，再用蒸馏水冲洗，105 ℃烘干，放入 广口瓶中备用。板栗购于西安当地市场，手工剥取其 壳，直接将其粉碎至0.15~2.00 mm，用超纯水洗净，65 ℃烘干备用。

吸附质：将CuSO₄·5H₂O、ZnCl₂、Pb（NO₃）₂、Cd（NO₃）₂· 4H₂O（均为分析纯）配置成为浓度分别为5.0 、0.5、 5.0、1.0 mg·L^-1的模拟废水溶液。 1.2 试验 1.2.1 吸附时间试验

在5 组三角瓶中分别加入50 mL 浓度分别为 5.0、0.5、5.0、1.0 mg·L^-1的Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺溶液（每 组中每种离子各2 瓶），然后每一组中其中一瓶加入 0.01 g的活性炭，另一瓶加入0.01 g的板栗壳，在 28 ℃下各组分别震荡30、60、120、180、240 min 后过 滤并测定溶液中Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺的浓度。 1.2.2 吸附温度试验

在4 组锥形瓶内分别加入50 mL 浓度分别为 5.0、0.5、5.0、1.0 mg·L^-1的Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺溶液（每 组中每种离子各2瓶），然后每一组中其中一瓶加入 0.01 g的活性炭，另一瓶加入0.01 g的板栗壳，每一 组分别置于25、40、55、70 ℃的水域恒温箱中震荡90 min后过滤，测定Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺的浓度。 1.2.3 重金属测定

使用AA7000 系列原子吸收光谱仪（北京市东西 电子技术研究所）以校正曲线法定量测定吸附后溶液 中的Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺的剩余浓度。 1.3 数据分析

吸附完成后，活性炭与板栗壳对Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、 Cd²⁺的吸附量q_e（mg·g^-1）与吸附率q（%）按照公式 （1）、（2）计算：

点击浏览公式

点击浏览公式

吸附量受到吸附剂、初始浓度、pH、时间、温度等 因素的影响，即因条件不同，吸附平衡时间不同，如吴 亚男等^[10]的研究结果显示，在10 mg·L^-1的Cu²⁺、Zn²⁺、 Pb²⁺加入0.5 g板栗壳，在pH = 5，温度为30 ℃时金属 离子在180 min时吸附量最大。陈惠雨等^[11]的研究显 示用0.4 g 60 目筛的改性玉米芯吸附10 mg·L^-1 的 Cu²⁺时，在温度为298K，pH=7时，吸附时间为60 min。 张淑琴等^[12]研究显示活性炭吸附Cu²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺，当投 加量为0.2 g，pH = 4.8，吸附时间为60 min 时，其吸附 过程受温度影响不大。郑国跃等^[13]用脱硫渣作吸附剂 时，研究发现，当用此吸附剂吸附Cu²⁺时，当pH = 8~ 9，吸附时间为1.5 h，Cu²⁺的去除率接近100%。本文投 加0.01 g的不定型颗粒活性炭及只作破碎处理的板 栗壳，在不同的吸附时间及温度下，吸附Cu²⁺、Zn²⁺、 Pb²⁺、Cd²⁺时也显示出不同的吸附过程。 2.1 时间对吸附的影响

模拟活性炭及板栗壳对废水中的Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、 Cd²⁺的吸附作用，由公式（1）计算其吸附量，其吸附量 随时间的变化如表 1 所示。

表 1 不同时间下活性炭与板栗壳吸附Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺的吸附量（mg·g^-1）

表选项

根据新建企业水污染物排放浓度限值和单位产 品基准排水量^[14]以及仪器检测限，分别配制Cu²⁺、Zn²⁺、 Pb²⁺、Cd²⁺的浓度为5.0、0.5、5.0、1.0 mg·L^-1。在此浓度 下探究活性炭与板栗壳吸附Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺的最 大吸附量时间。由表 1 可知，在0.5~4 h的时间范围 内，随着时间的增加，活性炭对Cu²⁺的吸附量逐渐减 少，2 h以后吸附量减少的较为明显；板栗壳对Cu²⁺的 吸附量随时间先增加后减少。对于Cu²⁺，活性炭为吸 附剂时，最大吸附量在0.5 h，板栗壳吸附时，最大吸 附量在1 h；对于Zn²⁺，活性炭为吸附剂时，最大吸附 量在3 h，板栗壳作吸附剂时在0.5 h；对于Pb²⁺，活性 炭与板栗壳的最大吸附量时间均在1 h，其吸附量分 别为7.67、8.67 mg·g^-1，板栗壳>活性炭；对于Cd²⁺，活 性炭与板栗壳的最大吸附量时间分别在1 h和2 h。对相同初始浓度的Cu²⁺与Pb²⁺比较，吸附剂为活性炭 或是板栗壳，Cu²⁺的吸附量整体大于Pb²⁺。 2.2 温度对吸附的影响

吸附剂对吸附质的吸附作用是吸附和脱附2 种 反应的竞争。温度对吸附作用的影响主要是2 个方 面：一方面，一般吸附是放热反应，低温有利，脱附是 吸热反应，高温有利，吸附作用中“吸附过程”的放热 反应，吸附热越大，温度对吸附的影响越大；另一方 面，温度对物质的溶解度有影响，因此对吸附也有影 响^[15]。不同温度下活性炭及板栗壳对Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、 Cd²⁺的吸附率由公式（2）计算得到，其吸附率如图 1、 图 2所示。

图 1 温度对活性炭吸附铜、锌、铅、镉吸附率的影响

图选项

图 2 温度对板栗壳吸附铜、锌、铅、镉吸附率的影响

图选项

由图 1可见，活性炭吸附Cu²⁺时，温度从25~70 ℃， 吸附量随温度的升高而减少，活性炭对Cu²⁺的最适温 度是25 ℃。活性炭对Zn²⁺的吸附量随温度的升高而 增加，吸附量最大时的温度是55 ℃；对Pb²⁺、Cd²⁺的吸 附量随温度的升高先增加再减少，吸附率最大温度在 40 ℃。由图 1 的吸附率看，温度对活性炭吸附Cu²⁺和 Pb²⁺的影响多于对Zn²⁺和Cd²⁺的影响，Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、 Cd²⁺的吸附率对温度出现明显变化均是在40 ℃，其吸 附率大小为：Pb²⁺> Cd²⁺> Cu²⁺> Zn²⁺。

由图 2 看温度对板栗壳吸附Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺ 作用的影响可知，板栗壳吸附Cu²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺时均随 温度的升高吸附量先增加再减少。其中，板栗壳吸附Pb²⁺在40 ℃时吸附率最大为77.86%，70 ℃时降为 10.71%，反应较为明显，这是由于温度影响分子布朗 运动，溶液温度升高，分子热运动加剧，导致吸附平衡 破坏，吸附量下降。Zn²⁺在55~70 ℃时，吸附量增加，由 于本研究未作高于70 ℃的分析，所以不确定Zn²⁺的 吸附量增加是否属于偶然现象。由吸附率曲线看出， 温度对板栗壳吸附Cu²⁺、Zn²⁺影响不大，吸附率曲线平 缓。40 ℃时，板栗壳的吸附率大小为Cd²⁺> Pb²⁺> Cu²⁺> Zn²⁺。

在温度为25~70 ℃的范围内，不论吸附剂是活性 炭还是板栗壳，Pb²⁺、Cd²⁺受影响均强烈，相反Cu²⁺的 吸附作用几乎不受影响。40℃均是Pb²⁺、Cd²⁺的“平衡温 度”，在此相同的温度下比较活性炭与板栗壳的吸附 作用，对Pb²⁺来说，活性炭>板栗壳；对Cd²⁺来说，板栗 壳>活性炭。 3 结论

当前水处理领域的紧急任务之一是使废水中的 重金属含量降低到排放标准以下，吸附法是处理废水 中重金属离子的一个重要选择，尤其是生物吸附法的 运用，对废水的处理具有非常重要的现实意义。本文 对不定型颗粒的活性炭与只作破碎处理的板栗壳进行比较，探讨时间和温度对这2种吸附剂的影响，为 处理废水中的Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺提供科学的参考依 据，研究结果表明：

（1）在活性炭处于中性，板栗壳只作破碎烘干处 理的前提下，用活性炭吸附Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺，Cu²⁺ 吸附量最大是在0.5 h时，Zn²⁺是在3 h时，Pb²⁺、Cd²⁺则 是1 h时；用板栗壳吸附时，Cu²⁺、Pb²⁺吸附量最大在 1 h，Zn²⁺是0.5 h、Cd²⁺则是2 h。

（2）温度对活性炭与板栗壳吸附Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、 Cd²⁺的影响，以吸附率表示时，以活性炭或板栗壳为 吸附剂，温度对Zn²⁺的吸附率影响都不大，且二者吸 附曲线趋近；吸附Cu²⁺时，活性炭受温度的影响大于 板栗壳，活性炭吸附时，随温度的升高，其吸附率减 小；Pb²⁺、Cd²⁺的吸附受温度影响明显，均是40 ℃时吸 附率较高，但板栗壳>活性炭，且Pb²⁺>Cd²⁺。