文摘

本研究旨在调查的潜力美人蕉籼stem-based活性炭(CISAC) Pb (II)离子的去除从合成解决方案和油漆工业废水。pH值的影响,初始Pb (II)离子浓度和吸附剂剂量进行了研究使用水溶液中准备使用纯硝酸铅(Pb(没有₃)₂)在一个批处理模式。干美人蕉籼茎(CIS)是在一个矩形碳化炉在500°C 2 h和磷酸处理(h3阿宝4)的比率1:1 (w / v)。结果表明,CISAC 5.4%的水分,火山灰的5.0%,挥发分的26.7%,62.9%的固定碳,797.5毫克/克碘值。傅里叶变换红外(FTIR)结果表明,羟基、羧基和酚类官能团在CISAC表面占主导地位。废水物理化学特征表明,生有浓度为4.6 mg / L Pb (II), 3 mg / L铜(II)、171 mg / L BOD5、2402 mg / L鳕鱼和619 mg / L TSS。更好的去除Pb (II)离子从溶液的pH值5.5,实现了最初的Pb (II)浓度为102.4 mg / L,和一个吸附剂剂量的1.4 g使用响应面方法。铅的去除效率最高(II),实现了从水溶液和油漆废水分别为98%和70%,分别。实验数据拟合与朗缪尔和弗伦德里希等温模型。结果表明CISAC作为一个有前途的吸附剂去除Pb (II)离子从涂料工业废水。

1。介绍

水和土地污染的重金属排放工业废弃物已经成为一个全球性的问题在当前的年1]。各种工业活动和技术的迅速发展,重金属排放到环境中,高度影响环境和人体健康因其毒性、生物强化在食物链和生物体内积累,坚持自然(2]。等重金属砷、铬、铜、汞、镍和银是最广为人知的毒素中发现现代废水(3]。然而,铅是一种涂料行业的大量重金属废水中有毒的生活,甚至在低浓度,会影响神经和生殖系统(3,4]。去除重金属的工业废水、沉淀、离子交换、凝固、电渗析等是最常用的技术5]。这些技术有许多不足之处,如不完整的金属离子去除,高能源和试剂成本,有毒污泥(6]。然而,吸附技术看起来更有吸引力因其简单、使用方便、效率高,经济从废水重金属的去除7]。

商业活性炭是最常用的吸附剂但不划算的8]。因此,许多研究人员提示寻找低成本和同样可行的吸附剂。木质纤维素的内容转换成活性炭是一种可能和可行的方法1]。一些先前的研究已经报道了生产活性炭的农业残留物和其他材料去除废水中铅离子(II),例如,香蕉蒸汽(9],杏石[10),杏仁壳(11],酿酒废水[12),和松果13]。然而,美人蕉籼发现在埃塞俄比亚(种植装修房屋和公共公园)还没有研究其潜在作为吸附剂。本研究调查的潜力美人蕉籼阀杆活性炭来确定它的Pb (II)离子从溶液中吸附容量和油漆废水。

2。材料和方法

2.1。制备的吸附剂

实验是在一个进行亚的斯亚贝巴科技大学环境工程实验室。的美人蕉籼收集源于本地可用美人蕉籼在亚的斯亚贝巴花园城市,埃塞俄比亚。然后,从1.5到3厘米茎减少使用刀和晒干了5天。泥土被用蒸馏水洗涤和干燥在烤箱105°C 24 h。然后,地面用杵和臼,100克样品是和100毫升的浓磷酸混合(85% w / w) 12 h。之后,在烤箱干在105°C 24 h和碳化使用矩形电马弗炉(Nabertherm F 330)在500°C的升温速率25°C /分钟1 h [14]。碳化样本然后离开炉冷却干燥器中,不断用蒸馏水洗净,直到一个中立的解决方案。最后,它是在烤箱干105°C 24 h,地面和已筛使用125µ米筛,并存储在塑料瓶为进一步使用。

2.2。吸附剂的表征

近似分析(水分、挥发分、灰分和固定碳含量)和碘值测定和ASTM (2866 - 2869) (d4607 - 94)方法,分别。准备吸附剂上的官能团测定使用傅里叶变换红外(日本岛津公司IRAffinity-1s)光谱仪的光谱范围4000 - 400厘米−1和数据分析使用标准软件(起源2018 9.55版)。x射线衍射分析也确定使用x射线衍射(Rigaku Miniflex 600衍射仪)。XRD操作在铜Ka、40 kV / 40 mA, 15 mA电流。x射线衍射模式收集扫描速率为4.2°C /分钟和结果进行了分析使用标准软件(起源2018 9.55版)。

2.3。溶液的制备

铅(2)原液(1000 mg / L)是由溶解1.5985 g的Pb(没有3)2用1000毫升蒸馏水(99.8%)。铅标准工作准备的解决方案是使用以下方程: 其中C1是初始浓度、C2是最后的浓度,V1是初始体积,和V2是最后的体积

2.4。涂料行业的污水收集和处理

聚乙烯瓶(1500毫升)是用自来水洗净,彻底与盐酸清洗,并与蒸馏水,使其无酸的树脂,用于收集样品。涂料行业的废水样品收集在亚的斯亚贝巴(subcity Nefas丝绸Lafto(纬度:8°58′50.29”,经度:38°44′57.6”))。上午和下午的废水被三天在7月的第一个星期,没有进一步的治疗。样品立即被送到实验室可以解决固体1 h和24 h内分析。重金属(铅(II)、铜(II))和物理化学特性(BOD5、鳕鱼、TSS、浊度、pH值和温度)废水吸附前后的特征使用APHA(2010)的方法。

2.5。实验方法

实验进行优化实验的影响因素,如pH(3、5.5和8),吸附剂剂量(0.5、1和1.5 g),和初始的Pb (II)离子浓度(100,和150 mg / L)的去除效率Pb (II)离子水溶液。使用最优实验条件,真正的涂料工业废水是检查Pb (II)离子的去除效率。实验在250毫升锥形烧瓶以一个恒定的速度250 rpm和接触时间120分钟在室温下(15一批的基础上)。然后,它使用0.45过滤μ分离的吸附剂m绘画纸滤纸。剩余Pb (II)离子浓度测定采用微波等离子体原子发射光谱法(安捷伦mp-aes 4200)。所有的实验进行了一式三份。去除效率和吸附容量量化宽松政策(毫克/克)计算使用以下方程,分别为: 在哪里Co和Ce最初的和最后的Pb (II)离子浓度(毫克/升),分别V被吸附物体积(L),米是吸附剂的质量(g)。

2.6。试验设计和优化

流程优化的实验设计和统计分析进行了使用设计专家7.0.0®软件版本。响应变量的依赖关系和一组定量分析了试验因素(自变量)通过使用Box-Behnken阶乘表面(和3因素3水平)。这个设计是用来确定三个因素的影响初始Pb (II)离子浓度、吸附剂用量、pH值Pb (II)离子的去除效率美人蕉籼激活碳三个层次。实验参数的范围和水平如表所示1。

表1
编码和实际操作参数的值Box-Behnken统计设计。

实验的总数确定使用以下方程: 其中N是实验运行的数量,F代表因子数,然后呢xo是复制的数量在中央点。在这项研究中,N的值,F,和xo是17日,3和5,分别。变量的编码和实际值之间的关系是用以下方程: 在哪里 是无量纲的编码值吗th独立的变量, 的值是 在中心点,Δx是阶跃变化的值。一个二阶多项式拟合响应面模型实验数据计算使用以下方程: 在哪里y,x我,bo,b我独立变量,代表了预测反应常数抵消项,分别和线性系数。此外,b二世代表了二次回归系数,bij代表了交互作用。

2.7。吸附等温线

朗缪尔和弗伦德里希等温线模型被用于这项工作:朗缪尔等温线理论假定单层吸附剂分布均匀的吸附剂表面。朗缪尔等温线呈现在以下方程: 在哪里问米是最大的金属离子吸附能力(毫克/ g),量化宽松政策是金属离子的数量每单位质量吸附剂的平衡(毫克/ g),Kl是一个常数与吸附的结合能,和其他常数可以通过策划估计Ce与量化宽松政策。

弗伦德里希等温线是一个经验方程描述异构表面吸附。所示的弗伦德里希等温线通常呈现以下方程: 在哪里 弗伦德里希常数相关吸附容量(毫克/克)和n弗伦德里希指数(无量纲)。通过方程的对数函数(8),这是简化为如下方程:

3所示。结果与讨论

3.1。直接和碘值分析

直接的结果展示在表和碘值分析值2。观测数据的近似分析,CISAc显示低灰分含量(5%),中挥发分含量(26.7%),低含水率(5.4%)、高固定碳的比例(62.9%)。含水率值低于价值报道Olugbenga et al。16)和奥兹德米尔et al。36]在研究活性炭从木瓜(番木瓜分别)葡萄叶和茎。这表明CISAC可能有更好的去除潜在的因其较低的水分含量(17]。然而,挥发分的内容从香蕉这是超过获得的价值(穆萨paradisiaca)stalk-based活性炭18]。CISAC的固定碳比激活碳制成香蕉空的水果很多,Delonix regia果荚(19),和南瓜种子壳(20.]。挥发性物质的媒介内容和低灰分通常增加固体产生的碳和产生高固定碳21]。更好的性能获得了很高的时候,微观结构与碘值直接相关。的碳原子数越高碘是由于存在大量的微孔隙结构和高碳具有很大的表面积的可能性由于孔隙结构的扩大22]。碘值是影响活化温度和时间(Mopoung et al。14Kumar)和et al。23报道一个激活时间1 - 2小时,和激活温度在500到600°C增加了显微组织。

表2
CISAC近似和碘值分析。

CISAC的碘值大于一个值从活性炭从木薯皮24)和Lapsi (Choerospondias axillaris)种子的石头25]。这表明CISAC有更好的去除能力作为碳的高碘值记入大微孔形状和密切的广阔的表面附近由于扩大他们的孔隙结构26]。

3.2。红外光谱分析CISAC

表3介绍了红外光谱的光谱特征CISAC基于pH值(7和5.5),初始Pb (II)离子浓度(0到50 mg / L),和吸附剂用量(1和1.5)之前和之后Pb (II)离子吸附,分别。活性炭的红外光谱谱显示了显著差异在峰值频率的绑定Pb (II)离子与活性炭的活性区域指示得官能团的存在的活性炭有可能与其他阳离子4]。

表3
红外光谱的光谱特征CISAC前后Pb (II)离子吸附。

前后的红外光谱光谱CISAC Pb (II)的吸附离子显示在图1。记录的光谱给不同的吸附峰代表CISAC中的各种官能团的存在。的光谱CISAC Pb (II)离子吸附之前乐队在3450厘米−1代表伸展振动地的羟基和乐队在2374厘米−1分配给碳氢键拉伸表明甲基和亚甲基27]。除了乐队在1620厘米−1拉伸的乙酰基半纤维素,乐队在1383厘米−1指出拉伸芳环,乐队在1313厘米−1归因于N-O伸缩振动,乐队在1166厘米−1和1040厘米−1与切断相关延伸的芳基木质素,分别为(21]。吸附后的所有指定的波数CISAC不同于之前吸附除了其中一个在吸附过程中,许多波数变化。

(一)
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(b)
(b)
图1
红外光谱分析CISAC之前(a)和(b)后Pb (II)离子吸附。
3.3。XRD分析

x射线衍射是用来评估矩阵之间的无定形和结晶的碳。并给出了x射线粉末衍射谱图2。根据CISAC粉末衍射的结果,显示了两个广泛激烈的山峰在2ϴ= 23°和2ϴ= 24°。这些晶体石墨碳内形成的标志(28]。光谱模式展览持续降低峰值浓度结果崩溃的石墨层。这可以是一个普通的非晶碳安排(29日]。


图2
CISAC的XRD分析。
3.4。涂料工业废水未经处理和治疗特点

表4介绍了治疗和治疗废水收集油漆行业的特征。大多数参数未经处理的废水的浓度,除了pH值和温度,超过世界卫生组织标准。特别是,Pb (II)离子浓度是46倍标准;因此,它必须被删除以避免环境风险。

表4
涂料工业废水未经处理和治疗特点。

处理废水的特点是低于设定的标准除了鳕鱼和TSS (2017)。因此,需要进一步治疗来消除多余的鳕鱼和TSS在处理环境问题。虽然这项研究是集中在Pb (II)、(30.]报道了生物炭制成美人蕉籼有可能从水溶液中去除镉,这表明它可能有一个潜在的其他重金属去除。

3.5。个人因素对铅的影响(2)离子去除效率
3.5.1。pH值的影响

pH值的影响进行调查的范围3- - - - - -8在不断的初始Pb (II)浓度的100 mg / L, 120年接触时间和吸附剂剂量的1.5 g。图3(一个)显示了Pb (II)离子去除效率提高当pH值的解决方案从3增加到5.5。更好的去除在pH值5.5时达到Pb (II)离子在清除减少高酸性的和温和的基本条件。类似的发现报道Gundogdu et al。31日]。在一个高度酸性pH值,整体表面电荷在活性部位变得积极和金属阳离子和质子结合位点的竞争吸附剂(32]。去除效率下降时的pH值从5.5增加到8。在这种情况下,Pb (II)离子沉淀的形式Pb(哦)2(33]。相关趋势报告Pb (II)离子的吸附在活性炭上准备从椰子壳34]。

(一)
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(b)
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(c)
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图3
个人pH (a)的影响;最初的Pb (II)离子浓度(b);和吸附剂用量(c) CISAC Pb (II)吸附。
3.5.2。最初的Pb (II)离子浓度的影响

实现更好的去除在初始Pb (II)离子浓度为50 mg / L(图3 (b))。消除Pb (II)离子浓度的增加与减少50到150 mg / L;因为低浓度,有一个低数量的铅离子的定量表面活性的网站在吸附剂表面。因此,所有的铅离子可能与活性部位进行交互。相反当初始浓度较高证明更多的铅离子附着在吸附剂表面,因此,活性部位是不够的,发生了吸附剂饱和导致去除效率的降低。

3.5.3。吸附剂用量的影响

的影响改变吸附剂的吸附剂剂量研究的范围0.5 - -1.5 g / 100毫升。固定参数的pH值5.5,120分钟的接触时间,和一个初始Pb (II)离子浓度的100 mg / L。图3 (c)显示了Pb (II)的去除离子增加,而吸附剂剂量增加从0.5到1.5 g。它是由于一个常数初始浓度而增加吸附剂剂量给予更高的吸附表面积。然而,反向趋势观察吸附能力。类似的结果在消除Pb (II)离子从溶液使用bamboo-based活性炭作为吸附剂35]。消除铅(II)的增加而增加吸附剂用量,然后仍然几乎不变导致更好的吸附剂去除1.5 g。

3.6。流程优化和交互响应面方法的影响因素

3 d绘图可以得出的不同的参数组合显示响应的变化趋势在选定范围内的输入因素((pH值、初始Pb (II)离子浓度,和一个吸附剂剂量)和每个参数对其他参数的影响。一些这样的典型情节图所示4。

(一)
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图4
表面情节(a)解决方案的影响的pH值和初始Pb (II)离子浓度;(b)初始Pb (II)离子浓度和(c)吸附剂剂量;和(c)吸附剂剂量和初始Pb (II)浓度去除(%)。

图4(一)显示了3 d图,pH值的联合效应(x1),初始Pb (II)离子浓度(x2)在Pb (II)离子的清除效率保持吸附剂剂量不变。结果从图4(一)表明消除效率增加增加溶液的pH值从3与减少5.5 Pb (II)离子浓度从150到50 mg / L,然后进一步增加时降低pH值从5.5到8。

三维曲面图在图4 (b)显示了Pb (II)离子去除效率作为吸附剂剂量的联合效应(x3)和pH值(X1)在维持最初的Pb (II)离子浓度不变。Pb (II)的去除离子降低pH值从5.5下降到3时减少吸附剂剂量从1.5到0.5 g。然后,去除效率增加当pH值降低从8到5.5和吸附剂剂量增加从0.5到1.5 g。

构建的三维图显示最重要的两个因素,吸附剂剂量(X3)和初始Pb (II)离子浓度(x2)保持pH值常数是显示在图4 (c)。从图4 (c),它可以观察到,吸附容量增加时,吸附剂剂量增加从0.5到1.5 g和最初的Pb (II)离子浓度下降,从150年到50 mg / L。吸附剂剂量的增加提供了一个更大的表面积或增加可用吸附网站的Pb(2)吸附量增加。

优化过程是由定义的数值优化设计专家软件。在数值优化,程序试图最大化期望函数创建最优条件。所有这三个因素和Pb(2)去除效率的实验范围最大的愿望。优化是通过考虑参数的值更好的去除Pb (II)使用CISAC离子从溶液中,也就是说,pH值为5.5时,吸附剂剂量的1.35 g,初始Pb (II)离子浓度为102.37 mg / L的愿望(图15)。因此,使用这些值,Pb (II)离子的去除效率从水溶液和油漆工业废水被发现是98%和70%。Pb (II)离子CISAC油漆废水的去除效率远低于水溶液因为油漆行业废水中含有不同类型的重金属(铜+ 2、铬+ 3,锌+ 2)、粘结剂、添加剂、生物需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)、总悬浮物和浊度,影响了Pb (II)离子去除效率的相互竞争吸附剂。

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图5
愿望坡道数值优化的四个目标,即溶液的pH值(a),初始Pb (II)离子浓度(b),吸附剂剂量(c),去除效率(d)。
3.7。吸附平衡等温线的研究

平衡等温线实验进行了使用1.5 g / 100毫升美人蕉籼活性炭pH值为5.5和最初的Pb (II)离子浓度(100,and150 mg / L)在室温下。adsorbate-adsorbent的解决方案是混合在一个恒定的速度250 rpm的平衡时间为120分钟。数据6(一)和6 (b)代表了朗缪尔和弗伦德里希等温线的吸附CISAC Pb (II)离子,和表5这些等温线显示的参数。相关系数(R2)的朗谬尔和弗伦德里希等温线模型是0.9884和0.9461,分别。因此,Pb (II)的吸附CISAC符合朗缪尔模型很好。

(一)
(一)
(b)
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图6
朗缪尔情节(a)和弗伦德里希情节(b)对中钢协Pb (II)离子吸附。
表5
朗缪尔等温线参数和弗伦德里希供CISAC Pb (II)吸附。

4所示。结论

目前的研究表明,CISAC是一个很好的吸附剂的Pb (II)离子的去除水溶液和油漆工业废水。实现更好的去除(98%)在初始Pb (II)离子浓度为102.4 mg / L,吸附剂用量的1.4 g, pH值为5.5。同等条件下,69.7%的铅(2)离子被撤油漆工业废水。的性能CISAC Pb (II)离子的去除油漆行业的废水比水低得多,因为油漆工业废水包含各种类型的污染物。吸附等温式表明,朗缪尔等温线模型提供了最佳的相关性R2(0.9884)。处理废水的特点是低于设定的标准除了鳕鱼和TSS (2017)。因此,需要进一步治疗来消除多余的鳕鱼和TSS在处理环境问题。当前研究的结果表明,吸附过程使用CISAC是一种环境友好和有效的吸附剂去除Pb (II)离子的水溶液和油漆工业废水。然而,建议CISAC可能有可能删除其他重金属,身份验证和进一步的研究建议。

数据可用性

本研究中使用的信息可以获得相应的作者。

的利益冲突

作者没有利益冲突。

确认

这项研究是由埃塞俄比亚公路管理局财务支持。