粘土礦物吸附重金屬的研究

摘要：采用蒙脫石和高嶺石為吸附劑，研究了其對(duì)水中的Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附選擇性。結(jié)果表明：蒙脫石的吸附容量大于高嶺石。粘土礦物對(duì)重金屬的吸附量隨著pH值的增大而增大。在pH4，25 ℃的條件下，蒙脫石和高嶺石對(duì)不同重金屬離子的吸附容量大小順序均為：Pb2+> Cu2+> Zn2+。通過吸附等溫線的擬合，證實(shí)了蒙脫石對(duì)重金屬離子具有良好的吸附選擇性。

關(guān)鍵詞：蒙脫石；高嶺石；重金屬；吸附容量；吸附等溫式

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2011.02.011

Study on the Adsorption of Heavy Metals with Clays

LI Yan-mei， REN Xiao-li， DU Yun-yun， LIAN Ling， ZHANG Feng-jie

（Collage of Life Science， Dalian Nationalities University， Dalian， Liaoning 116600， China）

Abstract：The montmorillonite and kaolinite as adsorbents were studied on the selective adsorption of Cu2+， Pb2+， Zn2+. The result showed that the adsorption capacities of the two clays for the three heavy metals were found to be in order of montmorillonite >kaolinite. The adsorption capacities of heavy metals on clays increased with the increasing of pH values. In the condition of pH4 and 25 ℃， adsorption capacities of montmorillonite and kaolinite for different heavy metal ions were both in order of Pb2+>Cu2+>Zn2+. Through the isotherms fitted with different models， it was evidenced that montmorillonite had excellent adsorptive selectivity to heavy metal ions.

Key words: montmorillon；kaolinite；heavy metals；adsorption capacity；isotherms

近年來，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，重金屬污染廢水的排放已越來越嚴(yán)重，由于重金屬不能被生物降解而在水中富集造成水體污染，并通過食物鏈最終危害人體健康，對(duì)人類的生存構(gòu)成了威脅。為了保護(hù)和改善人類的生存環(huán)境，人們開展了旨在控制環(huán)境污染的礦物自凈化工程研究。因此，粘土礦物對(duì)重金屬離子吸附特性研究成了當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)[1-2]。而粘土礦物因其具有吸附性能良好、原料資源豐富、加工容易等特點(diǎn)，已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-4]。但這方面的研究多圍繞廉價(jià)環(huán)境修復(fù)材料的開發(fā)角度開展工作，探討粘土礦物對(duì)重金屬的吸附機(jī)理的報(bào)道較少。為此，本研究以蒙脫石和高嶺石為吸附劑，研究對(duì)Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附選擇性，以期為環(huán)境污染的控制和治理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試劑和儀器

蒙脫石、高嶺石、NaOH 、HCl 、HNO3、CuCl2、PbCl2、ZnCl2和CaCl2均為分析純，低速臺(tái)式離心機(jī)， pH-3C數(shù)字酸度計(jì)，THZ-82水浴恒溫振蕩器；日立Z-2000火焰原子吸收分光光度計(jì)。

1.2吸附試驗(yàn)

向帶旋塞的聚四氟乙烯的離心管中，加入14 mL一定濃度的重金屬溶液，調(diào)節(jié)pH，加入一定質(zhì)量的蒙脫石/高嶺石作為吸附劑，旋緊密封后，在（25 ±0.2）℃下，以150 r·min-1的轉(zhuǎn)速恒溫振蕩24 h達(dá)吸附平衡，離心，過膜，上清液用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定其濃度。

2結(jié)果與分析

2.1蒙脫石、高嶺石的基本性能指標(biāo)

表1結(jié)果表明，蒙脫石的陽離子交換量（CEC）是高嶺石的13.7倍，而且蒙脫石的膨脹倍、比表面積、結(jié)構(gòu)負(fù)電荷密度均大于高嶺石，因此，就其理化性質(zhì)而言，蒙脫石的吸附性能大于高嶺石，而這一結(jié)論與吸附實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論相一致。

2.2pH值對(duì)蒙脫石、高嶺石吸附重金屬離子的影響

2.2.1 不同pH值對(duì)高嶺石吸附重金屬離子的影響由圖1可知，高嶺石對(duì)Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附量隨pH值的增大而增大，這是因?yàn)?，?dāng)pH值較低時(shí)，H+在溶液中具有濃度優(yōu)勢(shì)和吸附優(yōu)勢(shì)，高嶺石表面吸附了溶液中大量的H+，占據(jù)了重金屬離子的吸附位置，使高嶺石的活性減弱，所以吸附量不高。而隨著pH值的升高，高嶺石對(duì)重金屬離子的吸附量逐漸增大。在pH=5時(shí)高嶺石對(duì)Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附量最大，這與Hizal 等[5]在pH為2～8條件下，用高嶺土吸附Cu2+、Pb2+得到在pH5～7范圍內(nèi)的吸附量最大的結(jié)論相一致。

2.2.2 不同pH值對(duì)蒙脫石吸附重金屬離子的影響由圖2可知，蒙脫石對(duì)Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附量隨pH值的增大而增大，并且pH=3時(shí)的吸附量明顯小于在pH=4和pH=5條件下的吸附量。這是因?yàn)樵趐H值較低的條件下，溶液中的H2+比Cu2+、Pb2+、Zn2+更占優(yōu)勢(shì)，因此，它們之間的競(jìng)爭(zhēng)吸附使得金屬離子的吸附作用下降。而隨著pH值的升高，H+優(yōu)勢(shì)逐漸減弱，而對(duì)金屬離子的吸附作用卻逐漸增強(qiáng)。在pH=4和pH=5時(shí)，蒙脫石對(duì)Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附量明顯大于在pH=3時(shí)的吸附量，這是因?yàn)閜H<4時(shí)，pH值對(duì)蒙脫石吸附重金屬的影響較大，隨pH值的增加，重金屬離子的吸附量增幅較快，但達(dá)到pH=4時(shí)，吸附效率已經(jīng)接近90%以

上，因此，再繼續(xù)增加pH值對(duì)其影響不大。

2. 3 相同pH值對(duì)蒙脫石、高嶺石吸附重金屬離子的影響

由圖3可知，在pH=4時(shí)蒙脫石與高嶺石對(duì)重金屬離子的吸附順序均為：Pb2+>Cu2+>Zn2+。這是因?yàn)镻b2+進(jìn)入礦物上可能很快轉(zhuǎn)化為Pb(OH)2，PbCO3，Pb3(PO4)2等難溶態(tài)化合物，這些難溶化合物可以穩(wěn)定的存在于礦物上；而Zn2+主要是以游離態(tài)的形式存在，不易形成絡(luò)合物。因此不易被吸附； Cu2+則介于Pb2+和Zn2+之間?？录因E等[6]對(duì)蒙脫石吸附溶液中重金屬離子的能力研究中表明，在相同的條件下，蒙脫石吸附溶液中重金屬離子的次序是：Cu2+>Zn2+。蔣明琴等[7]對(duì)重金屬離子的吸附和解吸性能研究中表明，高嶺石對(duì)Pb2+的吸附性能明顯優(yōu)于其它重金屬離子，對(duì)Cu2+、Pb2+吸附順序?yàn)椋篜b2+>Cu2+。

2. 4吸附等溫線

在溫度為25 ℃下測(cè)定不同平衡濃度時(shí)重金屬離子在蒙脫石和高嶺石上的吸附量，得到吸附等溫曲線。對(duì)吸附等溫線進(jìn)行Langmuir，F(xiàn)reundlich，Henry三種形式的擬合，將回歸結(jié)果良好的等溫線類型列入表2。

由表2可以看出，蒙脫石、高嶺石對(duì)Cu2+的吸附曲線屬于Freundlich型等溫線，F(xiàn)reundlich方程中的kF值通常作為礦物對(duì)重金屬離子吸附作用的吸附作用越強(qiáng)。從表中明顯可以看出，蒙脫石的kF值遠(yuǎn)大于高嶺石，這可以說明，蒙脫石比高 嶺石具有更強(qiáng)的吸附作用。而且，蒙脫石、高嶺石對(duì)Cu2+吸附方程中的kF值均隨pH值的增大而增大，因此可以看出pH值的增大有利于其對(duì)重金屬離子的吸附作用。蒙脫石對(duì)Pb2+的吸附曲線屬于Freundlich型等溫線，隨pH值的增大，高嶺石對(duì)Pb2+的Gmax呈增大趨勢(shì)。而高嶺石對(duì)Pb2+吸附曲線屬于Langmuir型等溫線，在pH=4和pH=5條件下，蒙脫石對(duì)Pb2+吸附的kF值相近，均遠(yuǎn)大于其在pH=3條件下的kF值。蒙脫石、高嶺石對(duì)Zn2+的吸附曲線屬于Langmuir型等溫線，由表可以看出，蒙脫石的Gmax遠(yuǎn)大于高嶺石，這主要是由于蒙脫石的比表面積和結(jié)構(gòu)負(fù)電荷密度皆高于高嶺石所致[8]。因此，也可以得出結(jié)論：蒙脫石的吸附能力遠(yuǎn)大于高嶺石。

3結(jié)論

（1）高嶺石、蒙脫石對(duì)Cu2+、Pb2+、Zn2+的吸附量均隨pH值的增大而增大。

（2）在pH=4條件下，蒙脫石對(duì)重金屬離子的吸附量遠(yuǎn)大于高嶺石，蒙脫石與高嶺石對(duì)于重金屬離子的吸附順序均為：Pb2+ >Cu2+>Zn2+。

（3）兩種礦物吸附曲線的擬合結(jié)果說明了蒙脫石對(duì)重金屬離子具有良好吸附選擇性。

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