水環境中的重金屬離子形態穩定、毒性大以及可以通過食物鏈在生物體內累積［1］，嚴重危害生態環境和人類健康，重金屬污染已成為人類面臨的重要環境問題。化學鍍鎳廢液通常采用化學沉淀、電解法、離子交換法、反滲透等方法處理［2-3］。與游離態鎳離子相比，絡合態鎳更穩定，工業上常用的用加堿沉淀法不能有效去除。吸附法是處理低濃度含鎳廢水的有效途徑之一。婁陽等［4］報道了用陶粒、沸石、膨潤土等吸附材料對廢水中非絡合態鎳離子吸附除去。付瑞娟等［5］研究了花生殼活性炭對溶液中非絡合態鎳離子的吸附性能。化學鍍Ni-P合金［6-8］具有工藝簡單、鍍液不含CN－劇毒成分、鍍層性能優異等優點，得到了很大的發展。本文研究了粉狀活性炭(PAC)對化學鍍Ni-P合金廢液中低濃度絡合態鎳的吸附去除能力，測定了不同因素對PAC吸附溶液中鎳離子的影響。該研究未見文獻報道。
    1·試驗
    1．1試驗材料及儀器
    PAC:市售粉狀活性炭(福建)，去離子水微沸浸漬1h，冷卻至室溫，抽濾濾得PAC，去離子水重復洗滌3次。收集PAC，110℃恒溫干燥4h，置于干燥器備用。
    鎳標準儲備液［ρ(Ni2+)=1000mg/L］:準確稱取金屬鎳［w(Ni)≥99．99%］0．10g溶解在10mL硝酸溶液中［V(HNO3)∶V(H2O)=1∶1］，加熱蒸發至近干，冷卻后加適量硝酸溶液［V(HNO3):V(H2O)=1∶99］溶解，轉移到100mL容量瓶中，用水稀釋至標線。試驗時用去離子水稀釋至所需濃度。
    模擬化學鍍鎳廢液:ρ(Ni2+)為20mg/L，ρ(檸檬酸)為100mg/L，次磷酸鈉、亞磷酸鈉和乙酸鈉對吸附效果無明顯影響。
    硝酸、鹽酸、氫氧化鈉、丁二酮肟;氨水、碘、碘化鉀、高錳酸鉀、檸檬酸銨;檸檬酸、次磷酸鈉和乙二胺四乙酸二鈉;所有試劑均為分析純。
    實驗儀器:日本島津UV-2450紫外可見分光光度計;FA2004N型電子天平;SYC智能超級恒溫水槽;HY-2多用調速振蕩器;LDZ4-2自動平衡離心機;S-3C型精密pH計;SHZ-C型循環水式多用真空泵等。
    1．2實驗方法
    1)PAC吸附試驗:準確稱量0．2gPAC，20mL模擬化學鍍鎳廢液，置于100mL的錐形瓶中，室溫下在振蕩器上震蕩1．0h。吸附體系轉移到25mL離心管中，n=4000r/min，t離心=20min，上層澄清液用0．45μm的微孔濾膜過濾，測定濾液中鎳離子質量濃度。
    2)PAC再生試驗:吸附飽和PAC，先用濃度為0．1mol/L的HCl溶液浸漬，m(活性炭):m(HCI)=1∶6溶液室溫浸泡1h，抽濾分離出酸洗PAC，經水洗后用0．1mol/L的NaOH溶液浸漬0．5h。再用PAC去離子水重復洗滌3次，110℃恒溫干燥4h，再生PAC按吸附試驗評價再生效果。
    3)PAC改性試驗:稱取PAC3．0g，置于50mL錐形瓶中，移取0．10mol/L的KMnO4溶液9mL，室溫浸漬1h。PAC去離子水重復洗滌3次，110℃干燥4h，制成改性PAC。
    1．3分析方法
    水溶液中鎳離子質量濃度用GB11910-89丁二酮肟分光光度法［9］測定。
    2·結果和討論
    取ρ(檸檬酸)為100mg/L、ρ(Ni2+)為20mg/L的廢液，改變次磷酸鈉質量濃度，用4mol/L的NaOH溶液調節廢液pH為11．0，進行PAC吸附試驗。表1數據表明次磷酸鈉質量濃度對PAC吸附Ni2+的影響很小。取某含檸檬酸化學鍍鎳液，稀釋至ρ(Ni2+)為20mg/L，用4mol/L的NaOH溶液調節稀釋液pH為11．0，進行PAC吸附試驗。結果發現PAC對稀釋液中Ni2+的吸附能力與PAC對模擬電鍍廢水中Ni2+的吸附能力亦相近。實驗選擇ρ(檸檬酸)為100mg/L、ρ(Ni2+)為20mg/L的溶液為模擬化學鍍鎳廢液進行研究。
    2．1ρ(C6H8O7·H2O)對η去除(Ni2+)的影響
    取不同ρ(C6H8O7·H2O)、ρ(Ni2+)為20mg/L的廢液，用4mol/L的NaOH溶液調節廢液初始pH為6．0，進行PAC吸附實驗。
    由圖1所知，檸檬酸質量濃度對PAC吸附作用有很大的影響。檸檬酸質量濃度越大，PAC對鎳離子的去除效果越差。當檸檬酸的質量濃度達到100mg/L，鎳離子的去除率從84．5%降到47．5%，下降趨勢明顯。活性炭吸附鎳離子以化學吸附占主導地位［10］，由于檸檬酸的存在，溶液中的Ni2+以絡合狀態存在，絡合鎳與活性炭表面的化學基團結合能力弱，因此Ni2+的去除率隨著檸檬酸質量濃度的升高而降低。檸檬酸質量濃度超過100mg/L，鎳離子去除率下降趨勢平緩，主要原因可能是過量的檸檬酸競爭吸附造成的。
    2．2PAC投加量對吸附作用的影響
    取模擬電鍍廢水，用4mol/L的NaOH溶液調節廢液初始pH為11．0，改變PAC投加量，進行吸附實驗。
    PAC投加量對吸附效果有重要影響。由圖2可見，隨PAC投加量增大，鎳離子去除效率提高。原因是隨著PAC量的增加，提供的吸附位也逐漸增多，這些吸附位置同溶液中重金屬離子發生作用，所以溶液中重金屬離子的去除率一直呈上升趨勢。
    當ρ(PAC)超過10．0g/L時，鎳離子去除率增加不明顯，這是因為溶液平衡濃度愈低，PAC飽和吸附量愈小，去除率提高愈緩。溶液平衡濃度和平衡吸附量用Langmuir吸附等溫線和Frendlich吸附等溫線進行擬合，相關系數分別是0．9765和0．9639，均大于0．95，說明Ni2+在PAC上的吸附主要為單分子層吸附，即化學吸附占主導地位。本實驗選擇PAC投加量為10g/L。
    2．3廢水初始pH對吸附作用的影響
    取模擬化學鍍鎳廢液，用4mol/L的NaOH溶液調節廢水初始pH，進行PAC吸附試驗，試驗結果見圖3。試驗發現，當廢水pH為12．5時，絡合鎳離子不會發生沉淀反應，可以認為Ni2+的去除只是因為PAC的吸附作用。
    隨著溶液初始pH的升高，Ni2+的去除率逐漸提高，pH為11．0時達到大值。這是因為在酸性條件下，溶液中存在大量的H+，活性炭表面的—CHO，—OH，—COOH，—C==O會跟溶液中的H+結合，改變了活性炭表面的親和性，阻礙金屬離子與活性炭表面基團的結合，所以吸附量相對較低。當溶液的pH升高后，與活性炭表面官能團結合的H+發生解離，表面電勢密度降低，金屬陽離子與活性炭表面的靜電斥力減少，同時活性炭上負電勢點增多，因而吸附量增多。當溶液初始pH為12．0時，Ni2+的去除率驟然降至30%以下，原因可能是因為檸檬酸完全解離，Ni2+和檸檬酸根完成絡合作用，PAC吸附絡合鎳離子能力弱，導致Ni2+去除率降低。
    2．4溫度對吸附作用的影響
    SYC智能超級恒溫水槽控制溶液溫度，用4mol/L的NaOH溶液調節廢水初始pH為11．0，進行PAC吸附試驗，考察溫度對吸附效果的影響。活性炭對重金屬的吸附作用是吸附和脫附兩種反應的競爭。一般吸附是放熱反應，低溫有利;脫附是吸熱反應，高溫有利。從表2可以看出隨著溫度的升高，PAC吸附鎳離子的能力降低，但變化不大。溫度影響分子布朗運動，溶液溫度升高，分子熱運動加劇，導致吸附平衡破壞，吸附量下降。
    2．5吸附時間對吸附作用的影響
    取模擬化學鍍鎳廢液，用4mol/L的NaOH溶液調節廢水初始pH為11．0，改變吸附反應時間，進行PAC吸附試驗。結果如圖4。
    由圖4可以看出，吸附前40min，活性炭對鎳離子的吸附速率很快，表現為重金屬離子的去除率增長比較明顯，但隨后的吸附速率趨于緩慢，60min后幾乎沒有什么變化，吸附達到平衡狀態。在吸附初期，吸附作用主要發生在活性炭的外表面和部分微孔內進行，短時間內就可以完成，隨著吸附量的增加，負載在活性炭表面的金屬離子產生的斥力增強，游離的金屬離子深入微孔內部的阻力變大，傳質速率下降，直至達到吸附飽和。
    2．6PAC再生
    PAC對鎳離子吸附量受pH影響很大，使用酸或堿改變溶液的pH進行脫附，實現PAC再生。用HCl溶液浸漬吸附飽和活性炭時，酸性環境破壞吸附平衡，鎳離子從活性炭表面脫附，活性炭恢復吸附性能。如圖5所示，Ni2+的洗脫率隨著HCl溶液的質量濃度增加而增加，鹽酸質量濃度達到0．1mol/L時，鎳離子的洗出率已經達到91．7%，鹽酸質量濃度繼續增大，鎳離子的洗脫率略微升高。PAC再生實驗選擇HCl溶液為0．1mol/L。
    HCl溶液再生活性炭，活性炭吸附的鎳離子被洗脫下來，大量氫離子與活性炭表面的—CHO，—OH，—COOH，—C==O等有效活性中心結合，占據了活性炭上與鎳離子的結合位置，降低了再生PAC對鎳離子的吸附量。因此，飽和PAC在酸洗后再用堿洗，將H+置換出來，使活性炭恢復吸附能力。
    活性炭經多次飽和吸附和酸堿再生后，其吸附性能仍與新活性炭吸附性能相近，能多次重復利用，并且洗脫液中富集的鎳離子可以實現資源回收。活性炭再生效果見表3。
    2．7PAC改性
    為了提高PAC對絡合態鎳離子的吸附量，實驗用KMnO4、HNO3［V(HNO3):V(H2O)］=1∶1、MgSO4、丁二酮肟乙醇溶液等進行PAC改性。實驗結果發現KMnO4改性PAC去除絡合態鎳離子效果好。圖6可以看出，隨著KMnO4濃度的升高，改性活性炭吸附絡合鎳離子能力也隨之提高，KMnO4濃度為0．12mol/L，改性活性炭對Ni2+的吸附量達到大，去除率為97．6%，比未改性活性炭提高了25．3%。KMnO4改性能夠提高活性炭吸附性能，一方面是由于KMnO4有強氧化性，與活性炭及其表面的有機官能團(如碳碳雙鍵、羥基等)發生氧化還原反應，導致吸附劑表面含氧官能團的數量增加［11］。另一方面，KMnO4還原為不溶性的MnO2吸附于活性炭表面［12］，對水中重金屬離子有很強的吸附能力［13］。KMnO4濃度繼續升高，改性活性炭吸附絡合鎳離子能力降低。過量KMnO4氧化不僅會生成大量酸性含氧官能團，也會造成活性炭微孔數量減少、比表面積減小，二者相互影響導致PAC對Ni2+吸附量降低。從圖7可以看出，在整個pH范圍內，KMnO4改性活性炭比未改性活性炭吸附Ni2+的能力都有很大提高，表明KMnO4改性活性炭對絡合鎳離子具有很好的吸附性能。
    3·結論
    1)PAC吸附絡合鎳離子為單分子層吸附，吸附過程快速，60min完成吸附作用;溫度對吸附作用影響不大;溶液pH和吸附劑投加量是影響PAC吸附去除Ni2+的主要因素。溶液佳初始pH為11．0，PAC投加量為10．0g/L時，Ni2+去除率為72%左右，吸附量為1．45mg/g。
    2)吸附飽和PAC用0．1mol/LHCl溶液解析，Ni2+洗脫率達到91%以上。PAC再生5次，其吸附Ni2+能力與新PAC相近，可以實現PAC的多次重復使用。
    3)高錳酸鉀改性PAC對鎳離子具有很好的吸附作用，改性活性炭對Ni2+去除率比未改性活性炭提高了25．3%，達到97．6%。
    活性炭能夠較為有效地去除溶液中的絡合態鎳離子，吸附飽和活性炭用HCl溶液再生，酸洗液中的鎳離子富集回用，實現低濃度絡合鎳電鍍廢水的綜合治理和資源化利用。

    《水處理活性炭吸附水溶液中重金屬實驗 活性炭吸附處理化學鍍鎳廢液的研究》源自：http://adtgayrimenkul.com