AEP20130500000_26279239邓烁

Advances in Environmental Protection 环境保护前沿, 2013, 3, 138-143

Published Online December 2013 (http://wendang.chazidian.com/journal/aep.html)

Adsorption of Zn2+ from Water by Modified Corncob*

Shuo Deng, Binhui Jiang#, Rihui Liu, Jiangwei Chen

College of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang

Email: #jiangbinhui@http://wendang.chazidian.com, 329055309@http://wendang.chazidian.com

thReceived: Oct. 20, 2013; revised: Nov. 14th, 2013; accepted: Nov. 22nd, 2013

Copyright © 2013 Shuo Deng et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre-stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the Creative Commons At-tribution License all Copyrights © 2013 are reserved for Hans and the owner of the intellectual property Shuo Deng et al. All Copyright © 2013 are guarded by law and by Hans as a guardian.

Abstract: Heavy metal pollution is one of the important parts of environmental problems. In order to find out the bio- logical adsorbent for the purification effect of heavy metal ions in water, the microwave irradiation, as well as the im- mersion in HCl, NaOH and NaCl, was used to modify corncob respectively. The experiment used method of control variables, and the modified corncob adsorption rate of Zn2+ was the reference index. According to the results, the best modified condition was as follows: The power of microwave irradiation was 280 W, the time of microwave irradiation was 5 min, and the concentration of sodium chloride solutions was 0.3%. And the best adsorption condition was as fol- lows: the diameter of corncob was about 1.5 mm, the dosage was 20 g/L, the adsorption time was 30 min, the shaking speed was 180 r/min, and the pH value of liquor zinc chloride was about 6. The results showed that modified corncob adsorption rate of Zn2+ was more than 90% at low concentrations. In conclusion, it is a good adsorption property of heavy metal (zinc) in water by modified corncob.

Keywords: Modified Corncob; Microwave; Zn2+; Adsorption

改性玉米芯法吸附水中Zn2+的研究*

邓 烁，姜彬慧#，刘日辉，陈江伟

东北大学资源与土木工程学院，沈阳

Email: jiangbinhui@http://wendang.chazidian.com, 329055309@http://wendang.chazidian.com

收稿日期：2013年10月20日；修回日期：2013年11月14日；录用日期：2013年11月22日 #

摘 要：重金属污染是环境问题的一个重要方面。为了探明生物吸附剂对水体中重金属离子的净化作用，通过微波辐照、酸碱及NaCl浸泡对玉米芯改性，以改性玉米芯对Zn2+的吸附率作为参考指标，运用控制变量法确定最佳改性条件为：微波照射功率280 W，辐照时间5 min，氯化钠质量浓度0.3%。改性玉米芯对水中Zn2+的最佳吸附条件为：玉米芯粒径为1.5 mm，用量20 g/L，吸附时间30 min，摇床转速180 r/min，ZnCl溶液pH为6左右。结果表明，改性玉米芯对低浓度Zn2+的吸附率达90%以上。可见，改性玉米芯对水体中重金属(锌)具有较好地吸附性能。

关键词：改性玉米芯；微波；Zn2+；吸附

1. 引言

我国的锌储备量位居全国第二，且广泛应用于冶

*金业、食品业以及制药业。我国每年有数十万吨含Zn2+废水排入环境中，Zn2+本身无毒，但由于重金属不具生物降解性，可在有机体中积累，若处理不当将

对人体和生态系统造成严重危害。目前处理含重金属

废水的常用方法主要有化学沉淀、溶解、渗析、电解、

Open Access 本研究由国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2013ZX07202-010、2012ZX07202-004-06、2012ZX07505-002-03)、大学生创新训练计划项目(130039)经费资助完成。 #通讯作者。 138

改性玉米芯法吸附水中Zn2+的研究

反渗透、蒸馏、树脂离子交换与活性炭吸附等[1]。由于上述处理方法普遍存在二次污染、成本高及对低浓度的重金属废水处理效果差等问题，因此急待开发研制高效、低成本、环境友好型的重金属处理技术。Bahig El-Deeb等通过提取重金属超富集水生植物中的细菌，鉴别了多类细菌对重金属的吸附效果及机理[2]

；Biljana M. Pejic利用改性后的短麻纤维对重金属进行吸附，建立模型研究了吸附热力学情况，并对吸附机理进行了初步研究[3]；万顺利等人实验分析了中外多地茶叶渣改性后的茶叶渣对水体中重金属离子的吸附效果，对不同茶叶渣的选择性吸附进行了归纳，结果表明茶叶渣在重金属污染废水治理领域有广阔应用前景[4]；陈惠雨、高宝云等利用玉米芯和玉米秸秆粉对水体中Zn、Cu、Ni、Pb等进行了吸附机理研究，表明吸附过程可能以络合方式为主导，为机理研究提供了一定的研究方向[5,6]。亦有学者利用纳米纤维[7]、天然水藻球[8]

、豆渣纤维[9]

、硅藻土

[10]

等进行吸附实

验，均取得较好效果。以上研究及成果表明利用生物吸附剂对水体中重金属离子进行净化具有一定研究意义和可行性。本文以玉米芯为研究对象，通过微波辐照、酸碱及NaCl溶液浸泡对其改性，利用改性后玉米芯对重金属Zn2+

进行吸附，重点研究了微波改性玉米芯对Zn2+

的吸附条件优化，取得较好的处理效果。

2. 实验材料与方法

2.1 实验试剂及仪器

化学试剂：HCl (AR)，NaOH (AR)，ZnCl (AR)和NaCl均购于国药集团。

玉米芯取自抚顺市新宾县，粉碎过筛后烘干备用。

仪器：机械调控微波炉(P70D20TJ-D3，格兰仕)，恒温振荡器(SHZ-82A)，数显鼓风干燥箱(GZX-9070 MBE)，等离子发射光谱仪(ICP，4300DV，美国利曼)，酸度计(pHS-25)，高速万能粉碎机(FW80)。

2.2. 实验方法

2.2.1. 微波改性玉米芯对Zn2+的最佳吸附条件优化

用粉碎机将玉米芯磨碎后经分子筛筛选，分别以不同功率微波、辐照不同时间对其进行改性，在不同

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参数条件下加入含一定浓度Zn2+的初始溶液中，在恒温振荡箱中振荡一定时间后，过滤分离取上层清液，利用ICP测定其中残留Zn2+的含量。

吸附率计算公式：

Q?

Ce?C

Ce

?100% 其中：C——吸附后溶液中Zn2+浓度/(mg·L?1)；Ce——吸附前溶液中Zn2+浓度/(mg·L?1)。 2.2.2. 二次改性玉米芯对Zn2+的吸附作用

将2.2.1中最佳条件微波改性后的玉米芯分别以HCl、NaOH及不同质量浓度NaCl进行二次改性，加入含一定浓度Zn2+的初始溶液中，振荡、过滤分离取上清液，方法同上检测并计算二次改性玉米芯对Zn2+的吸附作用。

3. 实验结果与讨论

3.1 玉米芯粒径大小对吸附效果的影响

未经微波改性条件下，取0.5 g不同粒径的玉米芯于相同规格的不同锥形瓶中，并加入Zn2+浓度为30 mg/L的氯化锌溶液50 mL，以HCL与NaOH溶液调节pH = 6，于恒温振荡器中以30℃、200 r/min条件吸附20 min，过滤后取上层清液，进行吸附率计算。由图1可以看出在粒径为1.5 mm时，吸附率最高为57.56%。

3.2. 微波改性条件优化

3.2.1. 微波照射时间对吸附效果的影响

以462 W功率微波辐照，改变照射时间对玉米芯进行改性，取0.5 g改性后玉米芯于锥形瓶中，方法同上吸附20 min，过滤后取上层清液，进行吸附率计算。由图2可以看出在微波照射时间为5 min时，改性玉米芯对Zn2+的吸附率最高，达到59.38%。照射1 min~5 min内吸附率增加的原因可能是随着玉米芯内水分的蒸发，其内部通道更为疏松和通畅，而当照射时间过长具有吸附性能的组织结构遭到破坏，散落而堆积堵住通道使得对Zn2+吸附率下降[11]。 3.2.2 微波照射功率对吸附效果的影响

选择不同功率微波对玉米芯改性5 min，取0.5 g改性后玉米芯于锥形瓶中，方法同上条件吸附20

139

改性玉米芯法吸附水中Zn2+的研究

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/etar noitprosdAParticle size of corncob/mm

Figure 1. Effect of particle size of corncob on adsorption

图1. 玉米芯粒径大小对其吸附性能的影响

%

/etar noitprosdAMicrowave irradiation time/min

Figure 2. Effect of microwave irradiation time on adsorption

图2. 微波照射时间对玉米芯吸附性能的影响

min，过滤后取上层清液，进行吸附率计算。由图3可见微波功率为280 W时，改性效果最佳，吸附率为61.3%，其原因与照射时间不同对改性效果的影响类似。

3.3. 微波改性玉米芯对Zn2+

的吸附作用

3.3.1. 玉米芯用量对吸附效果的影响

以功率280 W微波对玉米芯改性5 min，分别取0.25 g、0.5 g、0.75 g、1.00 g、1.25 g、1.50 g、1.75 g改性后玉米芯于相同规格的不同锥形瓶中，并加入Zn2+

浓度为30 mg/L的氯化锌溶液50 mL，调节溶液pH = 6，于恒温震荡器中以30℃、200 r/min条件吸附20 min，过滤后取上层清液，进行吸附率计算。由图4可看出，在1.00 g即20 g/L时吸附效果最佳，根据分析在0.25 g~1.00 g之间，随着玉米芯量的增加，其与溶液中Zn2+

碰撞、接触机会大大增加，更有利于通

道对金属离子的吸收，而用量过多时造成玉米芯粒过度拥挤，而使与溶液中Zn2+接触的通道数目减少，从而影响吸附效果。

140

%

/etar noitprosdAMicrowave irradiation power/W

Figure 3. Effect of microwave irradiation power on adsorption

图3. 微波照射功率对玉米芯吸附性能的影响

Figure 4. Effect of dosage of corncob on adsorption

图4. 玉米芯用量对其吸附性能的影响

3.3.2. 吸附时间对吸附效果的影响

取1.00 g微波改性后玉米芯加到Zn2+为30 mg/L的氯化锌溶液50 mL，分别吸附10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min，过滤后取上层清液，进行吸附率计算。由图5可得，随着吸附时间的增加，吸附率不断增加，当到达30 min时，吸附率基本稳定，可以认为吸附已经饱和。 3.3.3. 摇床转速对吸附效果的影响

取1.00 g微波改性后玉米芯加到Zn2+为30 mg/L的氯化锌溶液50 mL，分别以120 r/min、140 r/min、160 r/min、180 r/min、200 r/min、220 r/min的转速，吸附30 min过滤后取上层清液，进行吸附率计算。由图6可以得出，当转速为180 r/min时，吸附效果最佳。在120~180 r/min随着转速增加，玉米芯可充分的与溶液接触，增大碰撞Zn2+的机率，从而增大吸附率，而当转速过大，玉米芯易附着在锥形瓶颈上，而脱离溶液，从而影响吸收。

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改性玉米芯法吸附水中Zn2+的研究

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/etar noitprosdAAdsorption time/min

Figure 5. Effect of adsorption time on adsorption

图5. 吸附时间对吸附性能的影响

%

/etar noitprosdAShaking speed /rpm

Figure 6. Effect of shaking speed on adsorption

图6. 摇床转速对吸附性能的影响

3.3.4. 溶液pH对吸附效果的影响

取1.00 g微波改性后玉米芯加入Zn2+

浓度为30 mg/L的氯化锌溶液50 mL，调pH分别为1、2、3、4、6、8，于恒温震荡器中在30℃、180 r/min的转速，吸附30 min过滤后取上层清液，进行吸附率计算。

由图7可得在pH在5时吸附率最大。因为当pH过小时，玉米芯表面正电荷聚集，过多的吸附了H+从而不利于Zn2+的吸附。当pH增大时，所吸附正电荷相对减少，从而利于Zn2+的吸附。当pH过大，产生的Zn(OH)2沉淀堵住玉米芯通道使吸附率下降，查表可知常温下，Zn(OH)2的溶度积约为1.2 × 10?17，当pH > 9时，溶液中Zn2+浓度需小于0.008 mg/L，故不具有研究玉米芯的吸附价值[12,13]。

3.4. 二次改性玉米芯对Zn2+

的吸附作用

3.4.1. 微波-酸碱二次改性玉米芯对Zn2+的吸附作用

取微波改性后玉米芯分别加入以HCl和NaOH调节pH为5、6、7、8、9、10的溶液中浸泡16 h进行二次改性，以30℃、200 r/min恒温振荡器振荡8 h，

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/etar noitprosdApH value of solution

Figure 7. Effect of pH value of the solution on adsorption

图7. 溶液pH对吸附性能的影响

置于干燥箱中以90℃干燥24 h。取1.00 g经微波–酸碱二次改性后的玉米芯加入Zn2+浓度为30 mg/L的氯化锌溶液50 mL，调节溶液pH为6，于恒温震荡器中在30℃，180 r/min的转速，吸附30 min过滤后取上层清液，进行吸附率计算。由图8可知pH = 8的碱性溶液可以提高微波改性后玉米芯对Zn2+的吸附。因为经过微波改性的玉米芯内部结构发生改变，在pH在

5~8增大的过程中，玉米芯表面负电荷将不断增加，从而有利于对Zn2+的吸附，而当pH过高的时候，玉米芯中所含蛋白质变性、纤维产生碱性降解从而使其组织结构产生破坏，不利于进行吸附[5,11]。

3.4.2. 微波-NaCl二次改性玉米芯对Zn2+的吸附作用

将微波改性后的玉米芯分别于质量百分比为0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.7%、0.8%、0.9%的NaCl溶液中浸泡16 h进行二次改性，以30℃、200 r/min恒温振荡器振荡8 h，置于干燥箱中以90℃干燥24 h。取1.00 g微波-NaCl二次改性后玉米芯加入Zn2+浓度为30 mg/L的氯化锌溶液50 mL，调节溶液pH为6，于恒温震荡器中在30℃、180 r/min的转速，吸附30 min过滤后取上层清液，进行吸附率计算。结果如图9所示，在NaCl质量浓度为0.3%时，对Zn2+吸附率最高，接近80%，且浓度较低时改性效果好，当NaCl质量浓度大于0.3%时，吸附率急剧下降。与酸碱改性相比，NaCl二次改性效果优于3.8中酸碱二次改性，故选用此改性方法进行后续实验。探究其原因认为Na+半径为0.102 nm，Zn2+半径为0.074 nm，H+半径小于0.079 nm，根据分析，玉米芯对Zn2+的吸附来源于正离子的交换，Zn2+半径略小于Na+半径，而Zn2+半径大于H+，故Na+所能占据的通道体积大于H+所

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改性玉米芯法吸附水中Zn2+的研究

%

/etar noitprosdApH value of the system

Figure 8. Effect of pH value on adsorption of microwave-modified

corncob system

图8. 酸碱对微波改性后玉米芯吸附性能的影响

%

/etar no

itprosdAMass concentration of Sodium chloride solution/%

Figure 9. Effect of the mass concentration of NaCl on adsorption of

microwave-modified corncob

图9. NaCl浓度对微波改性后玉米芯吸附性能的影响

占据的，故同等情况下，Na+可交换更多的Zn2+，而当Na

+浓度过高时，易造成玉米芯表面正离子过多及通道的拥堵，从而不利于金属离子的交换，使吸附率降低

[13]

。

3.4.3. Zn2+

浓度对微波-NaCl二次改性玉米芯的

吸附作用影响

分别称取经微波-0.3% NaCl二次改性玉米芯1.00 g加到Zn2+

浓度为10 mg/L、30 mg/L、60 mg/L、90 mg/L、120 mg/L、150 mg/L的50 mL氯化锌溶液中，调节溶液pH为6，于恒温震荡器中在30℃、180 r/min的转速，吸附30 min过滤后取上层清液，进行吸附率计算。实验结果见图10，二次改性玉米芯对浓度低于10 mg/L的Zn2+溶液吸附率达90%以上。

4. 结论

1) 以280 W功率微波对粒径1.5 mm玉米芯进行改性5 min，对30 mg/L的Zn2+最佳吸附条件为：用量20 g/L，pH为6，吸附时间为30 min，摇床转速180

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Figure 10. Effect of the concentration of Zn2+ on adsorption of mi-

crowave-modified corncob

图10. Zn2+

浓度对微波-NaCl二次改性玉米芯的吸附作用影响

r/min，此时的吸附率达72.8%，比未改性玉米芯对Zn2+吸附率(57.6%)提高15.2%。

2) 分别HCl、NaOH和NaCl对微波改性后的玉

米芯进行二次改性，结果表明采用质量浓度为0.3% NaCl溶液进行二次改性效果最好，对30 mg/L的Zn2+吸附率约为80%，比未改性玉米芯对Zn2+吸附率

(57.6%)提高22%。微波-NaCl二次改性玉米芯对10 mg/L以下浓度的Zn2+吸附率高达90%，说明微波- NaCl改性可以大大增加玉米芯对水体中重金属Zn2+的吸附作用，该研究结果为利用生物质废弃物处理重金属废水提供了技术支持，具有一定的可行性与应用价值。

5. 致谢

本研究由国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2013ZX07202-010、2012ZX07202-004-06、2012ZX07505-002-03)、大学生创新训练计划项目(130039)经费资助完成，在此表示感谢。在论文完成之际，我还要感谢东北大学创新中心给予我这次宝贵的实验机会，感谢姜彬慧老师的悉心指导和陈江伟、刘日辉同学在实验及论文写作时的热情帮助。

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