近年來(lái)，工業(yè)的迅速發(fā)展給人們帶來(lái)高的經(jīng)濟效益，但工業(yè)廢水處理的高成本造成大量工業(yè)廢水直接排放進(jìn)入河流，從而造成河流的污染。其中，電解、電鍍、農藥、顏料、油漆等工業(yè)廢水中含有大量的重金屬離子，嚴重威脅周?chē)鷳B(tài)的平衡與人們身體的健康，重金屬因其特殊的化學(xué)、地球化學(xué)性質(zhì)及毒性效應，被稱(chēng)為環(huán)境中具有潛在危害的重要污染物，具有高度危害性和難治理性。因此，對水體中重金屬離子污染的凈化一直以來(lái)是國內外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
目前，常用的處理重金屬離子廢水的方法有：吸附法、離子交換法、膜分離法、化學(xué)沉淀法等。相比其他治理方法，吸附法具有占地面積小、合成工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低、沒(méi)有二次污染，吸附劑可重復使用等優(yōu)點(diǎn)。筆者以吸附性能好的碳球為吸附材料，研究了其對含銅離子和鉛離子的模擬廢水的吸附性能。
1 碳球的制備
1.1 實(shí)驗原料與儀器
原料：可溶性淀粉，分析純，天津市光復精細化工研究所;硝酸鉛，分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;氯化銅，分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。
儀器：高壓釜，煙臺科立化工設備有限公司， 120 mL;TAS-990火焰原子吸收分光光度計，北京森邁科技有限公司;TENSONR 27 傅里葉紅外光譜儀，德國布魯克公司;Nano SEM 450掃描電子顯微鏡，荷蘭FEI公司。
1.2 碳球的水熱制備
將一定量可溶性淀粉和蒸餾水加入到100 mL單口圓底燒瓶中，在100 ℃回流加熱3 h使可溶性淀粉完全溶解，再將溶解好的淀粉溶液加入到不銹鋼高壓反應釜中在180 ℃烘箱中水熱不同的時(shí)間，反應完畢自然冷卻至室溫，即得到碳球的懸浮液〔18〕。
1.3 重金屬離子的去除
分別配制10 mg/L的硝酸鉛、氯化銅溶液，取適量加入到所制備的碳球懸浮液中，此時(shí)，鉛離子或銅離子的初始濃度為C0，25 ℃下攪拌3 h后靜置 24 h使碳球沉淀，利用原子吸收光譜測定上層液的鉛離子或銅離子的濃度，記做C1。根據C0、C1的變化計算重金屬離子的去除率η。
2 結果與討論
2.1 可溶性淀粉濃度對金屬離子去除率的影響
以葡萄糖單元為基準，配制不同濃度的淀粉溶液。淀粉溶液濃度不同，所制備的碳球的粒徑就不同，從而導致碳球表面功能基團的數量不同。圖 1為在180 ℃水熱16 h條件下，淀粉溶液濃度分別為0.05、0.10、0.15、0.25 mol/L時(shí)所制備的碳球對鉛離子、銅離子的去除率。
圖 1 淀粉溶液濃度對金屬離子去除率的影響
由圖 1可知，在加入相同量的鉛離子或銅離子，不同淀粉濃度的條件下，碳球對銅離子的去除率整體高于碳球對鉛離子的去除率，證明銅離子容易被碳球去除，隨著(zhù)淀粉濃度的增大，碳球對銅離子的去除率逐漸升高，碳球對鉛離子的去除率先降低后升高，去除率不穩定，說(shuō)明鉛離子和碳球之間的作用力較弱。
在淀粉濃度為0.01 mol/L，180 ℃水熱16 h時(shí)，雖然碳球對銅離子或鉛離子的去除率高，但所制備的碳球不容易靜置沉淀分離，因此，在水熱溫度和水熱時(shí)間一定的條件下，淀粉濃度為0.25 mol/L是制備碳球的最佳條件。
2.2 水熱時(shí)間對金屬離子去除率的影響
在相同淀粉濃度下，水熱時(shí)間不同，所制備的碳球表面功能基團的數量就不同，從而導致碳球對金屬離子的去除率不同。圖 2為在淀粉濃度為0.15 mol/L，水熱溫度為180 ℃，水熱時(shí)間分別為8、12、16、20、24 h 條件下所制備碳球對鉛離子、銅離子的去除率。
圖 2 水熱時(shí)間對金屬離子去除率的影響
由圖 2可知，在不同水熱時(shí)間下所制備的碳球對銅離子的去除率高于對鉛離子的去除率，隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)，碳球對銅離子的去除率逐漸降低，直到水熱16 h以后對金屬離子的去除率不再變化，說(shuō)明銅離子和碳球之間的作用力較弱，而對鉛離子的去除率不穩定，說(shuō)明鉛離子或碳球之間的作用力較弱。
在淀粉濃度為0.15 mol/L，水熱時(shí)間為8 h時(shí)，雖然碳球對銅離子或鉛離子的去除率高，但所制備的碳球產(chǎn)率低且不容易靜置沉淀分離，因此，在淀粉濃度和水熱溫度一定的條件下，水熱16 h為制備碳球的最佳條件。
2.3 碳球去除銅離子后的SEM分析
圖 3為在180 ℃水熱16 h條件下，淀粉溶液濃度分別為0.05、0.10、0.15、0.25 mol/L時(shí)所制備的碳球吸附銅離子后的SEM(依次對應圖 3上的a~d)。
由圖 3可知：(1)所制備的碳球呈球形，由于淀粉分子質(zhì)量分布較寬，所制備的碳球的粒度分布也較寬，碳球的粒徑為1~5 μm左右。(2)隨著(zhù)淀粉濃度的增大，碳球的直徑逐漸減小，粒徑也逐漸變得均勻，即比表面積越來(lái)越大，有利于吸附金屬離子，這與碳球對銅離子的吸附結果(圖 1)一致。由圖 3c可知，銅離子吸附在碳球表面(沒(méi)吸附銅離子時(shí)碳球表面為光滑結構)。
圖 3 不同淀粉濃度下所制備碳球吸附銅離子后的掃描電鏡照片
圖 4是在淀粉濃度為0.15 mol/L，水熱時(shí)間分別為8、12、20、24 h 條件下所制備碳球吸附銅離子后的SEM(依次對應圖 4上的a~d)。由圖 4可知，所制備的碳球呈球形，粒徑分別為0.70~1.70、2.0~5.0、1.0~4.0、0.35~0.55 μm，碳球粒徑隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)先增加后減小，說(shuō)明碳球在水熱8 h時(shí)已經(jīng)形成，但結構不密實(shí)，12 h以后，繼續延長(cháng)時(shí)間，碳球粒徑減小，碳球變得更加密實(shí)，但碳球表面羥基數量略微減少，因此，碳球對金屬離子的去除率先減小后趨于穩定，這一結果與圖 2一致。
圖 4 不同水熱時(shí)間所制備的碳球吸附銅離子后的掃描電鏡照片
2.4 碳球吸附金屬離子前后的FT-IR分析
紅外光譜是證明吸附劑與吸附質(zhì)之間發(fā)生吸附作用的有效手段。圖 5為碳球和碳球吸附鉛離子或銅離子后的紅外光譜，通過(guò)比較，吸附金屬離子以后，碳球在1 026 cm-1波長(cháng)處的吸收峰遷移到了 1 030 cm-1波長(cháng)處，這是由于銅離子和鉛離子吸附在碳球表面所致，這與SEM結果一致。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
以可溶性淀粉為原料，通過(guò)水熱合成法制備了碳球吸附劑，以銅離子溶液和鉛離子溶液為模擬廢水研究了碳球的吸附性能。結果表明：
(1)在水熱溫度和水熱時(shí)間一定的條件下，淀粉濃度為0.25 mol/L是制備碳球的最佳條件;在淀粉濃度和水熱溫度一定的條件下，水熱16 h是制備碳球的最佳條件。
(2)SEM表征表明銅離子和鉛離子吸附在碳球表面，FT-IR光譜顯示，碳球吸附了金屬離子以后其在1 026 cm-1波長(cháng)處的吸收峰遷移到了1 030 cm-1處，表明銅離子和鉛離子與碳球表面的羥基產(chǎn)生了作用。
(3)不同淀粉溶液濃度對金屬離子去除率的影響和不同水熱時(shí)間對金屬離子去除率的影響的實(shí)驗表明，碳球對金屬離子的吸附具有選擇性，在相同條件下，碳球對銅離子的去除率高于對鉛離子的去除率。
