含双酚酸聚芳醚砜对水中铅离子的动态吸附

马 得 旺， 王 大 鸷， 尹 宇 新， 张 绍 印

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

含双酚酸聚芳醚砜对水中铅离子的动态吸附

马 得 旺， 王 大 鸷， 尹 宇 新， 张 绍 印

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

采用含双酚酸聚芳醚砜吸附剂对水中铅离子进行固定床吸附，探讨了水中铅离子初始质量浓度、 体积流量、初始pH和吸附剂质量对穿透曲线的影响。采用Yoon-Nelson模型和Thomas模型对动态实验数据进行线性拟合分析，研究了高分子聚合物吸附剂对水中铅离子的动态吸附性能。吸附后的吸附剂用0.2 mol/L的盐酸再生多次循环吸附使用。结果表明, 聚芳醚砜吸附剂能够有效去除水中铅离子，溶液体积流量和质量浓度对流出曲线有较大的影响，饱和吸附量随着初始质量浓度的增大而增加，随体积流量的增大而减小；穿透时间随初始质量浓度和体积流量的增大均减小，不同条件下的线性相关系数在0.94～0.98，说明Yoon-Nelson模型和Thomas模型都可以描述传统曲线，而且聚合物重生吸附容量变化不大，可以重复多次利用。

吸附剂；铅离子；聚芳醚砜；动态吸附

0 引 言

处理污水中金属离子的方法主要有化学沉淀法、活性炭吸附法、离子交换法、反渗透法、溶剂萃取、电化学方法、蒸发和膜过滤等[1]。这些方法大多都存在着效率不高、处理费用昂贵、易产生二次污染和对低浓度重金属离子溶液处理效果差等缺点。吸附法去除水体中的离子已有广泛研究和应用[2-7]。与活性炭吸附法、矿物质吸附法和其他物理化学方法采用的吸附剂相比，以聚芳醚砜吸附剂吸附的主要优点在于能够有效地将废水中的重金属离子降到非常低的浓度，且所用的材料易得。而且聚芳醚砜具有良好的稳定性和机械性能、高选择性、容易再生以及操作简单。吸附剂吸附饱和后，采用盐酸解析负载金属离子的聚合物，解吸率高，且再生后该聚合物的吸附能力基本不变。本实验研究了改性聚芳醚砜对重金属离子的动态吸附行为，以期为工业污水和农业重金属污染处理的具体应用起一定的引导作用。

1 实 验

1.1 材料与仪器

材料：Pb(NO3)2·3H2O，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；NaOH、HCl，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；含羧酸钠基的聚芳醚砜(PAES-C-Na)，实验室合成。

主要仪器：FE20 pH计，梅特勒-托利多仪器上海有限公司；HG-9602火焰原子吸收分光光度计，沈阳华光精密仪器有限公司；蠕动泵。

1.2 动态吸附装置

动态吸附实验装置如图1所示。吸附柱是内径为5 cm、长约10 cm 的带聚四氟乙烯活塞的玻璃柱，用含双酚酸聚芳醚砜作吸附剂，蠕动泵流速按需要调控。金属离子原液在蠕动泵的牵引下经管2由入口4进入滤柱，吸附后由出口7流出，间隔一定时间在8处取样，用HG-9602火焰原子吸收分光光度计测离子浓度。实验结果用Yoon-Nelson 模型和Thomas模型进行分析。

图1 动态吸附装置图

2 结果与讨论

2.1 溶液体积流量对吸附的影响

由图2可以看出，在相同浓度下，随着铅离子体积流量的不断增大，穿透时间提前，含双酚酸聚芳醚砜吸附材料达到饱和吸附所需要的时间逐渐变短，流出曲线上升部分的斜率有所增大。由于随着体积流量的增大，溶液在吸附柱中停留时间变短，铅离子没有足够的时间与吸附剂作用或扩散到吸附剂表面的空隙中。当体积流量较小时，溶液在吸附柱内的停留时间长，有更多的时间与吸附剂接触而容易被吸附，对铅离子就会有较高的去除率，吸附剂对铅离子的吸附量增大。

图2 不同体积流量下的Pb2+吸附曲线

2.2 溶液质量浓度对吸附的影响

由图3可以看出，在相同体积流量下，随着溶液初始质量浓度的增加，达到饱和吸附的时间变短，流出曲线上升部分的斜率变大。这是由于溶液中铅离子的浓度增大，聚芳醚砜吸附材料的活性位点被大量的铅离子包围，在溶液和吸附剂之间存在较高的浓度梯度，这使得铅离子的传质速率增大，相同时间内有大量的铅离子被吸附在活性位点周围，这样吸附剂吸附的铅离子浓度增加越快，越容易达到饱和和吸附。

图3 不同质量浓度下的Pb2+吸附曲线

2.3 吸附剂质量对吸附的影响

由图4可以看出，在相同体积流量的条件下，随着吸附剂质量的增大，吸附饱和所需要的时间延长。这是因为随着吸附剂质量的增大，吸附剂活性位点越来越多，相同体积流量下，通过的铅离子浓度不变，吸附活性位点被完全占有的时间延长，所以吸附平衡到达吸附饱和的时间延长。

图4 不同吸附剂质量下的Pb2+吸附曲线

2.4 溶液pH对吸附的影响

由图5可以看出，pH小于3.0，吸附速率缓慢，可能是由于溶液中H+浓度比较高，并且与金属离子竞争吸附剂的活性位点；还可能是由于金属离子的排斥和吸附剂表面羧基的质子化削弱了离子交换作用。pH 3～4时，Pb2+的吸附率显著增大，这可能是由于—COOH离子化为—COONa，增强了吸附剂表面羧基基团与金属离子的离子交换和静电作用，使PAES-C-Na的吸附率明显提高。pH 5.0时，聚合物吸附剂对铅离子的吸附能力最好，穿透时间最快，吸附达到饱和的时间相对较短。pH大于5.0时，PAES-C-Na吸附能力会略有下降，可能是由于金属离子形成了沉淀物。考虑到金属离子的水解和沉淀，选取pH 5.0作进一步研究。

图5 不同pH下Pb2+的吸附曲线

2.5 吸附剂的再生

连续3次吸附-解析后的结果如表1所示。吸附剂可以重复使用，且吸附能力无明显下降。

表1 PAES-C-Na对Pb2+离子的吸附-解析循环

2.6 Thomas模型的应用

Thomas吸附动力学模型通常用来描述吸附柱的动态吸附曲线，并能计算柱的饱和吸附容量和吸附速率常数。Thomas吸附动力学模型的线性形式为

(1)

式中：KT为Thomas速率常数，mL/(min·mg)；qmax为平衡时单位质量的吸附剂吸附金属的量，mg/g；m为柱中吸附剂的质量，g；t为流出时间，min；ρ0为是吸附质的初始质量浓度，mg/L；ρt为吸附质的流出质量浓度，mg/L；Q为柱体积流量，mL/min。以ln(ρ0/ρt-1)对t进行线性回归，从斜率和截距可以计算出不同条件下的饱和吸附量和吸附速率常数，结果如表2所示。随着质量浓度的增加，Thomas 速率常数逐渐减小，而饱和吸附量q0逐渐增加，这是由于随着浓度的增加，吸附剂活性位点周围的正电荷增多，排斥作用增大，吸附速率降低，随着浓度增大，浓度梯度增加，活性位点接触重金属离子的机会增大，从而使饱和吸附量增大。随着体积流量的增大，Thomas 速率常数逐渐增大，饱和吸附量q0逐渐减小。

表2 Thomas吸附动力学模型

2.7 Yoon-Nelson模型应用

Yoon-Nelson模型表达式为

(2)

式中：KYN为速率常数，min-1；τ为吸附吸附剂一半时所需要的时间，min；根据τ以式(3)可以算出平衡吸附量：

(3)

表3 Yoon-Nelson模型

随着溶液浓度和溶液流速的增大，KYN增大，吸附50%吸附质所需时间减小，模型计算得到的吸附50% Pb2+所需时间与相应的实验值相差不大，预测值和实验值的误差都在10%范围内， 表中的线性相关系数为0.96～0.98，说明Yoon-Nelson模型能够描述聚合物吸附剂吸附Pb2+的动态吸附过程[8-9]。

3 结 论

铅离子的循环吸附实验说明，双酚酸聚芳醚砜吸附剂可以重生多次使用，吸附能力虽有下降，但是不大。

由Yoon-Nelson模型和 Thomas模型的实验和数据说明，铅离子的动态吸附流出曲线可以用这两种模型来拟合。

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Dynamicadsorptionofleadionsinwaterbypoly(aryleneethersulfone)containingbisphenol

MADewang,WANGDazhi,YINYuxin,ZHANGShaoyin

(SchoolofLightIndustryandChemicalEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)

The lead ions in the water were fixed bed adsorption using poly (arylene ether sulfone) containing bisphenol. The influence of initial concentration, volume flow, initial pH and adsorbent mass on the breakthrough curves was discussed. The dynamic adsorption properties of the polymer adsorbent for lead ions in water were studied by Yoon-Nelson model and Thomas model. The adsorbent after using was regenerated by 0.2 mol/L hydrochloric acid for multiple cycles of adsorption. The results showed that poly aryl ether can effectively remove the lead ion in water, and the solution flow rate and concentration has a great influence on the outflow curve. The saturated adsorption capacity increased with the initial concentration increasing, and decreased with the flow velocity increasing. The linear correlation coefficient is 0.94-0.98, indicating the Yoon-Nelson model and Thomas model could describe the traditional curve.

adsorbent; lead ions; poly (arylene ether sulfone); dynamic adsorption

马得旺,王大鸷,尹宇新,张绍印.含双酚酸聚芳醚砜对水中铅离子的动态吸附[J].大连工业大学学报,2017,36(6):428-431.

MA Dewang，WANG Dazhi, YIN Yuxin, ZHANG Shaoyin. Dynamic adsorption of lead ions in water by poly(arylene ether sulfone) containing bisphenol[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(6): 428-431.

2016-03-28.

辽宁省自然科学基金项目(201202012)；辽宁省教育科学项目(L2011079).

马得旺(1990-)，男，硕士研究生；通信作者：张绍印(1965-)，男，教授.

X703

A

1674-1404(2017)06-0428-04