本發明專利技術公開了采用碳納米材料對單一體系中Cd等溫吸附的調控方法，它是稱取50?mg碳納米材料于150?ml的錐形瓶中，加入100?ml，100?mg·L?1的Cd2單一離子溶液，調pH為6，于室溫下分別振蕩1?min、3?min、5?min、10?min、15?min、30?min、1?h、2?h、4?h、8?h、24?h。迅速過濾溶液，用原子吸收分光光度法測定濾液中金屬離子的殘留濃度。本發明專利技術進一步公開了碳納米材料對單一體系中Cd等溫吸附的調控方法在提高對重金屬的吸附速度方面的應用。其中的吸附親和力指的是氧化石墨烯對Cd2+的吸附。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于環境保護
，涉及一種采用碳納米材料對單一體系中Cd等溫吸附的調控方法。
技術介紹
大多數重金屬是過渡性元素。土壤環境中，重金屬在一定幅度內會發生氧化還原反應，不同價態的重金屬具有不同的活性和毒性。土壤重金屬污染具有范圍廣、持續時間長、隱蔽性強、通過食物鏈富集、治理難度大、不可逆性等特點。大量生物分析與毒理研究表明，環境中重金屬元素的生物活性、毒性以及重金屬的遷移轉化過程和其在環境中的存在形態密切相關。因此只依靠重金屬總量很難表明重金屬的污染特征。重金屬在土壤中形成不同的化學形態，易被土壤介質吸附。但是在各種因素的影響下，重金屬會發生遷移和轉換。重金屬在土壤中的遷移是一個十分復雜的過程，是物理遷移、物理化學遷移和生物遷移三種遷移方式共同作用的結果，導致了重金屬在土壤中遷移的難以預測性。在吸附研究中，吸附量是很重要的物理量。在恒定溫度下，吸附量與溶液平衡濃度的關系曲線稱為吸附等溫線。由吸附等溫線的形狀和變化規律可以了解吸附質和吸附劑的作用強弱，界面上吸附質的狀態和吸附層結構。根據Giles對等溫吸附曲線的分類，將等溫吸附曲線分為S型、L型、H型和C型。S型在低濃度時，溶質含量約高則吸附越快，但吸附位點逐漸達到飽和狀態后，斜率最終減少為0。L型等溫曲線的斜率隨吸附質濃度的增加而減少，這是常見的等溫線。H型等溫線是L型等溫線的特例，是高親和等溫吸附曲線，吸附質對溶劑的親和力非常大，即使溶劑濃度極低，也能夠被吸附。C型是恒定分配線性曲線，被吸附物質在溶液和吸附劑固體表面之間有一定的分配率，吸附量和溶質濃度呈線性關系。通常，濃度度或范圍小時表現為C型曲線。水溶液中的溶質在吸附劑表面的等溫吸附特性通常用Langmuir 模型、Freundlich 模型來描述，以下將對這兩種模型詳細介紹。Langmuir首次提出了單分子層吸附模型。Langmuir模型是根據氣固二相間的單分子層吸附假設而得出的，且模型中每個吸附空位能量相同，相鄰吸附分子間無相互作用力。Freundlich吸附方程并未限定是單層吸附，可用于不均勻表面情況，是較理想的經驗等溫吸附方程，在比較窄的濃度范圍內，許多體系都很符合模型。Wang等研究得到木炭對Cd的吸附和Langmuir模型、Freundlich模型的擬合度較好，R2值分別為0.993和0.989。成杰民等研究發現，Cu和Cd在改性納米炭黑表面的修復可以分為快慢兩個階段，均能用Langmuir模型、Freundlich模型擬合。Farghali等研究表明 CoFe2O4修飾氧化還原石墨烯，對甲基綠的吸附過程是物理吸附，符合朗格繆爾等溫曲線。該模型通常用來解釋單分子層吸附的情況，習慣用來計算最大吸附量。人工修復土壤重金屬污染的途徑可歸納為3種：去除土壤中的重金屬，主要以新土置換、植物提取等方法；對重金屬污染進行隔離；改變重金屬的存在形態，降低其遷移性和生物可利用性，以至于能長期穩定地存在于土壤中，以原位固定以及微生物修復為主要代表。重金屬污染土壤原位固定修復在污染土壤治理過程中有著不可替代的作用。在土壤中添加不同外源物質，通過一系列反應改變重金屬的化學形態，降低其遷移性和生物有效性，減少重金屬毒害和遷移積累。常用的土壤修復材料主要有沸石、蛭石、石灰、磷礦、爐渣等無機物，綠肥、富含碳含量的有機物以及部分可用于修復重金屬污染的納米材料。吳烈善等對污染土壤中的重金屬進行快速鈍化處理，根據穩定效率和鈍化劑的鈍化能力值對各鈍化劑及復配組合的鈍化能力進行強弱排序可知石灰鈍化能力值最大，施用石灰可降低土壤中Cu、Zn、As、Hg、Cd、Pb 的生物可利用性。飛灰對土壤中Zn和Pb有較強的吸附性能。殷飛通過向重金屬復合污染土壤分別施加4種鈍化劑，鋼渣、磷礦粉處理后可交換態和碳酸鹽結合態Zn含量明顯減少，鋼渣、磷礦粉能顯著增加殘渣態Cu含量，添加磷礦粉后生物難吸收的鈣型砷含量顯著增加；其中，木炭和坡縷石主要以重金屬的鈍化吸附和絡合為主，鋼渣和磷礦粉對重金屬的修復機制主要以化學沉淀為主。利用顆粒狀爐渣和MgO按比例混合后修復土壤，爐渣對重金屬有很好的吸附性能，能夠有效改善重金屬和有機污染的土壤。Soares 等利用蛋殼堆肥吸附土壤中的Pb和Zn，添加后，能夠提高土壤pH值，減少土壤中可交換態Pb和Zn，能夠有效修復土壤重金屬。利用綠肥、肥料堆肥等富碳物質和無機酸等聯合修復土壤，可以有效降低As和Cu對土壤的污染。造紙污泥與土壤相互作用能形成新的吸附位點，有助于Zn在土壤中的固定，改善土壤質量減少滲漏液中重金屬含量。Shaheen利用無機物：沸石、AlO、MnO和碳酸鹽和有機改良劑：活性炭、油料殘余堆肥固定土壤中的Cu并種植玉米。結果表明，添加土壤修復劑后，玉米體內Cu含量降低，有機改良劑效果優于無機改良劑，其中活性炭是和AlO效果較好。生物炭具有孔隙度高、比表面積大、表面活性基團多能夠吸附大量可交換態陽離子。其對Cd2+的吸附量隨pH的增加先上升后下降，是一種良好的吸附材料，并且增加土壤有機質，促進作物增產。生物碳與土壤混合后，土壤中Cd、Zn和Pb的毒性隨著生物炭含量增加而減少，濾出液中重金屬毒性隨著時間而減少。Qihong Zhu等利用生物碳修復重金屬污染的水稻土，施加量為0.5%時，土壤中可交換態Cr、Ni、Cu、Pb、Zn和Cd含量分別下降了18.8、29.6、 26.3、23.0、23.01和48.14%，水稻中Zn、Cd、Pb含量減少了10.96、8.89和8.33%。Almaroai等人對比了在土壤中添加生物炭、牛骨和蛋殼后種植玉米，分析土壤中Pb的生物有效性，研究表明，添加生物炭后，玉米枝葉中Pb含量減少。劉晶晶研究不同種類的生物炭對重金屬污染土壤的修復響應，以復合污染的水稻土為供試土樣施用不同粒徑的生物炭，稻草炭的添加顯著提高了土壤pH值，并且酸溶態Cu、Cd和Zn向還原態和可氧化態轉化。施加生物炭可以改變土壤酶活性，其中脲酶和過氧化物酶活性顯著提高，但是酸性磷酸酶活性降低。納米顆粒類修復劑含有巨大的比表面積，對土壤中的污染重金屬離子具有極強的吸附作用，可以降低污染土壤中重金屬離子的遷移、轉化及其生物有效性重金屬含量。Zhangwei Li等利用納米羥磷灰石（nHAP）以及微米羥磷灰石（mHAP）修復重金屬污染的土壤，他們可以減少土壤中生物可利用態的Pb、Zn、Cu和Cr，并且添加納米材料后，小白菜體內的金屬含量下降。納米TiO2光催化材料、納米零價鐵等納米材料在土壤修復環境中也發揮著重要作用，能夠有效降低重金屬離子污染毒性。王萌通過盆栽實驗研究納米修復劑：羥基磷灰石HAP、赤泥RM、Fe3O4、胡敏酸- Fe3O4對污染土壤中Cd 吸收轉運的影響。碳納米材料是納米材料領域重要的組成部分，主要包括碳納米管、富勒烯、石墨烯及其衍生物等。石墨烯( graphene，GE) 是一種由 sp2雜化的碳原子以六邊形排列形成的周期性蜂窩狀二維碳質新材料，具有獨特的物化性質。2004 年，英國曼徹斯特大學物理和天文學系的 Geim和 Novoselov 等用膠帶剝離石墨晶體首次獲得了石墨烯，并由此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。常見的制備方法主要有微機械剝離法、化學氣相沉積法、本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種采用碳納米材料對單一體系中Cd等溫吸附的調控方法，其特征在于按如下的步驟進行：（1）研制材料供試垃圾堆肥取自天津市小淀生活垃圾堆肥處理廠，過2mm篩備用；草種選用北方常見禾本科植物高羊茅（Festuca?arundinacea）；石墨烯微片的微片大小：0.5?20?μm；微片厚度：5?25?nm；比表面積：40?60?m2/g；密度：約2.25?g/cm3；電導率：8000?10000?S/m；含碳量：>99.5%；氧化石墨烯的平均厚度：3.4?7?nm；片層直徑：10?50?μm；層數：5?10層；比表面積：100?300?m2/g；純度>90%；羧基化多壁碳納米管的直徑：20?40?nm；長度：10?30?μm；?COOH含量：1.43%；純度：>90?wt%；灰粉：<8?wt%；比表面積：>110?m2/g；導電率：>102?s/cm；羥基化多壁碳納米管的直徑：20?40?nm；長度：10?30?μm；?OH含量：1.63%；純度：>90?wt%；灰粉：<8?wt%；比表面積：>110?m2/g；導電率：>102?s/cm；（2）方法：1)稱取50?mg碳納米材料于150?ml的錐形瓶中，加入100?ml，100?mg·L?1的Cd2單一離子溶液，調pH為6，于室溫下分別振蕩1?min、3?min、5?min、10?min、15?min、30?min、1?h、2?h、4?h、8?h、24?h；迅速過濾溶液，用原子吸收分光光度法測定濾液中金屬離子的殘留濃度；2）分別配制含有Cd2+單一離子不同濃度的溶液，所用溶液均含有0.01?mol·L?1NaNO3做支持電解質，用NaOH或HNO3來調節重金屬溶液的酸度，使溶液的pH都為6，Cd的濃度為10、25、50、100、150、200?mg·L?1；稱取10?mg的碳納米材料若干份放入100?ml的錐形瓶中，分別向錐形瓶內加入不同濃度的單一重金屬溶液20?ml，振蕩6?h后過濾，濾液用原子吸收分光光度計，TAS?990測量重金屬濃度，根據吸附實驗前后重金屬離子濃度的差值計算其吸附量。...
【技術特征摘要】
1.一種采用碳納米材料對單一體系中Cd等溫吸附的調控方法，其特征在于按如下的步驟進行：（1）研制材料供試垃圾堆肥取自天津市小淀生活垃圾堆肥處理廠，過2mm篩備用；草種選用北方常見禾本科植物高羊茅（Festuca arundinacea）；石墨烯微片的微片大小：0.5-20 μm；微片厚度：5-25 nm；比表面積：40-60 m2/g；密度：約2.25 g/cm3；電導率：8000-10000 S/m；含碳量：>99.5%；氧化石墨烯的平均厚度：3.4-7 nm；片層直徑：10-50 μm；層數：5-10層；比表面積：100-300 m2/g；純度>90%；羧基化多壁碳納米管的直徑：20-40 nm；長度：10-30 μm；-COOH含量：1.43%；純度：>90 wt%；灰粉：<8 wt%；比表面積：>110 m2/g；導電率：>102 s/cm；羥基化多壁碳納米管的直徑：20-40 nm；長度：10-30 μm；-OH含量：1.63%；純度：>90 wt%；灰粉：<8 wt%；比表面積：>110 m2/g；導電率：>102 s/cm；（2）方法：1)稱取50 mg碳納米材料于150 ml的錐形瓶中，加入100 ml，100 mg·L-1的Cd2單一離子溶液，調pH為6，于室溫下分別振蕩1 min、3 min、5 min、10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、24 h；迅速過濾溶液，用原子吸收分光光度法測定濾液中金屬離子的殘留濃...
【專利技術屬性】
技術研發人員：趙樹蘭，多立安，盧云峰，
申請(專利權)人：天津師范大學，
類型：發明
國別省市：天津;12
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