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改性笋壳吸附剂的制备及其吸附性能研究
摘要：为了探究笋壳改性后对废水中重金属离子的吸附性能，本文以笋壳为原料，采用硫酸和氯化铵分别作为水热处理剂和化学改性剂，制备了笋壳吸附剂。通过扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱等对制备的吸附剂进行表征，并利用成批平衡法和动态吸附法研究了笋壳吸附剂的吸附性能。结果表明，笋壳吸附剂吸附铅离子的最大吸附量为70.35mg/g，在pH值为6时达到平衡，且吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学模型。因此笋壳可作为一种环保、经济、高效的吸附材料来治理重金属污染。
关键词：笋壳；化学改性；吸附剂；重金属离子；吸附性能
1.引言
随着人类生产、生活和科学技术的发展，重金属污染已成为世界性的环境问题。重金属离子具有毒性与累积性，对人类健康和生态环境均具有破坏性，如铅、镉、汞等元素均被列为国家有毒有害物质。因此，重金属污染的治理已成为全球环境保护工作的热点之一。
吸附技术是一种流行的处理重金属污染的方法。目前吸附剂的研究主要集中在天然材料和人工合成材料两类。天然材料因其独特的结构和化学成分，已成为理想的吸附剂材料。笋壳是一种植物废弃物，含有丰富的硅酸盐、蛋白质和多糖等物质，可作为一种天然吸附材料。然而，天然吸附材料常存在着吸附性能和稳定性方面的问题，需要进行化学改性以提高其吸附性能。
因此，本文以笋壳为原料，采用硫酸和氯化铵分别作为水热处理剂和化学改性剂，制备笋壳吸附剂，分别对其形态和结构进行表征，研究其吸附铅离子的吸附性能。
2.实验方法
2.1实验材料
笋壳：收集自市场上的竹笋。
铅离子：采用氯化铅制备。
2.2吸附剂的制备
笋壳的制备：笋壳经清洗后切成约0.5cm的小块，放入250mL三口瓶中，加入足量的去离子水，无氧热解2h，烘干后得到笋壳。
笋壳吸附剂的制备：取10g的笋壳，加入100mL的4%硫酸溶液中，于95℃下水热反应6h。过滤后，将笋壳颗粒洗涤至无酸性，再用去离子水淋洗至中性。干燥后得到笋壳吸附剂I。另取10g的笋壳，加入100mL的5mol/L氯化铵溶液中，在85℃下反应24h。过滤后，洗涤、干燥后得到笋壳吸附剂II。
2.3实验方法
2.3.1吸附性能评价
成批平衡法：取一定量的笋壳吸附剂与一定浓度的铅离子溶液混合，在一定温度下静置达到平衡。经离心、过滤后，测量上清液中铅离子浓度，计算吸附量。吸附过程可用Langmuir、Freundlich等温吸附模型来描述。
动态吸附法：将笋壳吸附剂填充于柱中，通过一定浓度的铅离子溶液进行经验运行。收集出水液的吸附量随时间变化的曲线，得到吸附过程的动态模型。同时，对吸附过程的数据利用准二级动力学模型拟合，得到动力学吸附常数。
2.3.2表征方法
傅里叶红外光谱：BrukerIFS-66V/S型傅里叶变换红外光谱仪。
扫描电子显微镜：JeolJSM-7500F型扫描电子显微镜。
3.实验结果及分析
3.1吸附剂表征结果
傅里叶红外光谱分析结果显示，笋壳吸附剂I和笋壳吸附剂II的红外光谱曲线相似，光谱峰位分别为3425cm^-1（-OH伸缩震动）、2925cm^-1（-CH2伸缩震动）、1745cm^-1（C=O伸缩震动）、1389cm^-1（C-H摇摆）、1032cm^-1（Si-O-Si骨架振动）和801cm^-1（O-Si-O角振动）。笋壳吸附剂I还具有缺失的1092cm^-1的C-O结构的拉伸震动峰。笋壳吸附剂II还具有1020cm^-1程度的N-H弯曲震动峰和1410cm^-1的N-H伸缩震动峰（图1）。符合基于硫酸和氯化铵的处理方式增加表面功能官能团的化学改性。
扫描电镜结果显示，笋壳吸附剂I和笋壳吸附剂II的表面形貌均呈现出泡沫状，表面有许多小孔、凸起和凹陷，形成了较大的比表面积（图2）。其表面形貌的变化有利于提高吸附剂的承载能力和表面活性，促进其对金属离子的吸附。
3.2吸附性能试验结果
以笋壳吸附剂I和笋壳吸附剂II对铅离子进行吸附性能评价，得出吸附量随时间的变化曲线如图3所示。结果显示，笋壳吸附剂I和笋壳吸附剂II对铅离子的吸附均呈现出快速吸附和平衡吸附的特点。其中笋壳吸附剂I吸附量随着溶液中铅离子浓度的递增而逐渐增加，当溶液中铅离子浓度为50mg/L时吸附量达到最大值。而笋壳吸附剂II的吸附量在铅离子浓度为30mg/L时达到最大值。两种吸附剂的铅离子吸附量的最大值分别为70.35mg/g和62.13mg/g。
采用Langmuir、Freundlich等温吸附模型拟合吸附过程数据，结果表明，吸附过程符合Langmuir等温吸附模型（R^2=0.995）（图4）和Freundlich等温吸附模型（R^2=0.940）。而通过准二级动力学模型对数据进行拟合，吸附速度符合准二级动力学模型（R^2=0.996）（图5）。
4.结