膨潤土對廢水中Cu2+的吸附性能研究

楊萃娜,丁述理

(1.新鄉學院建筑工程系,河南新鄉453000;2.河北工程大學河北省資源勘測研究實驗室,河北邯鄲056038)

目前由于潛在危險物及含重金屬的原料在環境中不斷的增加,重金屬污染得到高度的關注。重金屬例如鋅、銅等在化工、電鍍和固體垃圾填埋場的廢液中是普遍存在的元素。盡管重金屬是人體健康不可或缺的微量元素,但如果超量就會造成嚴重的后果。因此,廢水中的重金屬離子濃度應該減小到最低以防止其對人體健康產生不良影響。處理重金屬離子廢水通常采用的方法是化學法、硫化法、電解法等,但這些方法均會產生一些重金屬沉淀和化學污泥,造成二次污染[1-2]。

膨潤土是一種以蒙脫石為主的粘土礦物,來源廣泛,價格低廉,具有良好的吸附性能,近年來受到國內外環境工程界的重視[3]。因其具有較好的吸附性能和離子交換能力,被廣泛應用于廢水處理[4-8]。Gracia-Delgado等[9-11]的研究發現膨潤土對Cu2+的吸附依賴于吸附劑的表面電荷特性,電荷特性包括表面電荷的電量、電荷的種類(永久電荷或可變電荷)。永久電荷來自四面體或八面體中離子類質同象置換。McBride(1994)[12]發現金屬離子與膨潤土表面的親和力受金屬離子某些性能的影響,例如：電荷、離子半徑和軟硬酸堿特性等。其它因素例如金屬離子濃度、pH值、離子強度、競爭離子的類型和濃度、液固比、溫度也同樣影響著吸附過程。研究表明,在離子強度、pH值、絡合劑的濃度都很小的情況下,陽離子交換是一種吸附機制。王湖坤等[13]用膨潤土吸附銅冶煉廢水中的Cu2+,在不調節pH值的條件下,Cu2+的去除率達99.44%,處理后水中Cu2+濃度為0.025 g/mL。本文研究了邯鄲膨潤土原土(鈣基土)及其鈉基土在不同pH值、金屬離子濃度和不同吸附劑用量條件下對廢水中Cu2+去除效果的影響,并考察了初始離子濃度和吸附劑用量共同作用對Cu2+去除效果的影響。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

實驗用膨潤土原礦采自邯鄲某地,樣品經粉碎過篩獲得小于200目的顆粒。樣品的礦物成分為：蒙脫石含量達61.7%,高嶺石0-6%,伊利石2%-8%,長石2%-11%,石英2%-9%,石膏0 -20%和方英石1%-8%等。

鈉化土的制備：將一定量的原土與3%的碳酸鈉混合,加水制漿,液固比為5：1,攪拌1h,靜置,去除底層砂。高速離心,固液分離。烘干,粉碎,過200目。

1.2 實驗儀器

實驗所用儀器主要有721分光光度計(上海第三儀器廠)、AW120型萬分之一電子天平(Shimadzu Corporation)、HJ-5型恒溫電磁攪拌器(江蘇金壇儀器廠)、pHS-3C酸度計(上海宇隆儀器有限公司)、GL-20G-Ⅱ型高速冷凍離心機(上海安亭科學儀器廠)。

1.3 實驗方法

分別取200目鈣基膨潤土和鈉基膨潤土加入到預備好的一定濃度的Cu2+水溶液中,用NaOH或HCl調節pH值,在恒溫磁力攪拌器上吸附一定時間,靜置、過濾。采用二乙氨基二硫代甲酸鈉萃取光度法測定濾液中的重金屬離子質量濃度。

2 結果與討論

2.1 pH的影響

膨潤土吸附銅離子在25℃條件下反應20min, pH值為1.0-9.0,膨潤土吸附劑4g/L,銅離子的濃度為40mg/L,溶液的pH值用0.01mol/L的HCl或NaOH調節,結果如圖1。

由圖1可以看出溶液的pH值在吸附過程中是一個重要的參數。隨溶液pH值的升高,鈣基膨潤土和鈉基膨潤土對Cu2+的去除率和吸附量都呈增大趨勢。初始溶液的pH值從1升高到3時鈉基膨潤土和鈣基膨潤土的對銅離子的去除率和吸附量有明顯的增加。在pH值從3升高到7的過程中膨潤土對銅離子吸附的增大趨勢不明顯,而后當溶液的pH值為8.3時兩種膨潤土對銅離子的吸附量突然有明顯的增加。這些結果與其他研究者得到的結果一致[5,14]。影響膨潤土吸附特性的機制可以歸為分散、離子交換/吸附和沉淀。圖1中低pH值條件下,吸附劑對Cu2+的去除率較差,原因可能是由于H+濃度過大,占據了吸附位置而影響對Cu2+的吸附。pH值在3到7范圍內支配膨潤土吸附特性的基本機制是吸附和離子交換。在高pH值時(pH=8.3)觀察到兩種膨潤土吸附量有明顯的提高,這應歸于氫氧化銅的形成,但實驗發現,當有沉淀發生后,固液分離的難度明顯加大。因此本實驗選擇了pH值為5.66作為實驗研究條件。

2.2 初始離子濃度的影響

在25℃、pH值為5.66條件下反應20min,膨潤土吸附劑4g/L,鈣基膨潤土和鈉基膨潤土在不同Cu2+濃度條件下吸附行為的變化如圖2。

從圖2可以看出初始Cu2+濃度的增加導致了膨潤土對銅離子吸附量的增加,同時去除率隨初始Cu2+濃度的增加而減小,而且鈣基膨潤土減小的趨勢明顯。鈉基膨潤土和鈣基膨潤土對Cu2+的最大吸附容量分別為26mg/g和12mg/g。膨潤土對銅離子吸附的差別可以歸因于礦物成分的不同和可交換位置上陽離子的不同。Sheta等人[15]研究了天然沸石和鋅鐵膨潤土的吸附特性,發現重金屬離子的吸附很大程度上依賴于材料的礦物成分和實驗中所利用的重金屬離子的種類。

2.3 吸附劑用量的影響

在25℃、pH值為5.66條件下反應20min,初始銅離子濃度為40mg/L,膨潤土吸附劑的數量從0.4g/L到20g/L,鈣基膨潤土和鈉基膨潤土用量對Cu2+吸附行為的影響如圖3。

隨著越來越多吸附劑的加入使得陽離子可交換位置漸增從而保證了銅離子吸附量的迅速增加,然而單位質量吸附劑吸附銅離子的數量在平衡狀態時隨著吸附劑數量的增加而降低(圖3)。盡管吸附劑單位質量吸附位數量保持不變,不依賴于吸附劑的總量,在固定體積條件下增加吸附劑數量致使吸附劑發生團聚減少了可用位置的數量,同樣的有效表面積也減少,導致吸附劑單位吸附量的銳減。

2.4 吸附等溫線的確定

實驗條件：Cu2+初始濃度40mg/L;25℃和pH值為5.66時用不同量的鈣基膨潤土和鈉基膨潤土吸附溶液中的Cu2+。

膨潤土吸附銅離子的吸附等溫線按照Langmuir和Freundlich模型計算,計算式分別為式(1)、式(2)。

轉化為線性形式為

式中KL,a,和KF,n—Langmuir和Freundlich模型的參數;Ce—平衡濃度;qe—平衡吸附量。

膨潤土去除銅離子的等溫線更符合Freundlich吸附等溫式。

2.5 初始離子濃度和吸附劑用量共同作用對Cu2+吸附效果的影響

在25℃、pH值為5.66條件下同時改變初始Cu2+濃度和鈣基膨潤土用量,反應20min。試驗了不同初始Cu2+濃度和鈣基膨潤土用量對Cu2+吸附效果的影響,結果顯示：鈣基膨潤土的單位吸附量隨初始Cu2+濃度和吸附劑用量的增加而減小。吸附劑用量對Cu2+吸附的影響大于初始Cu2+濃度增加的影響。對于給定的初始Cu2+濃度,膨潤土的單位吸附量隨吸附劑用量的漸增而減小,這種影響在較大初始Cu2+濃度的條件下更加明顯。膨潤土用量一定的條件下,隨著初始Cu2+濃度的增加膨潤土的單位吸附量呈明顯的增大趨勢直至單位吸附量不再變化,表明此時膨潤土對Cu2+的吸附達到已達到飽和狀態。

3 結論

1)溶液的pH值對膨潤土吸附Cu2+的吸附性能影響最大。pH值小于3時H+和Cu2+競爭吸附位;pH值在3到7時吸附的基本機理是離子交換過程;pH值為8.3時膨潤土對重金屬離子的去除發生的是吸附和沉淀。

2)膨潤土的單位吸附量隨初始Cu2+濃度和吸附劑用量的增加而減小。吸附劑用量對Cu2+吸附的影響大于初始Cu2+濃度增加的影響。

3)膨潤土對Cu2+的吸附等溫線更符合Freundlich吸附等溫式。

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