蒙脫石對溶液中鎳和銅的吸附特性研究

張 浩， 王燕華

(1.山東省環境保護科學研究設計院， 濟南 250013;2.山東科技大學化學與環境工程學院， 山東 青島 266590)

很多行業如電鍍、儀表、電子等在生產過程中會排放大量的含重金屬廢水［1］，因此去除廢水中的重金屬物質成為保護環境和人類健康的一個重要任務。去除廢水中重金屬的方法包括化學沉淀法、離子交換法、吸附法、膜分離法和電滲析法等［2-3］。在眾多的處理方法中，由于吸附法具有效率高、操作簡單、吸附劑來源廣泛等特點，使其成為處理含重金屬廢水的首選方法［2-6］。吸附法的缺點主要是傳統吸附劑(如活性炭)成本較高以及再生困難，因此開發更加經濟、高效的替代產品成為研究的重點。在大量潛在的替代品中，以蒙脫石為代表的天然粘土材料逐漸得到了重視。蒙脫石是一種具有特定表面化學特性的天然粘土礦物，可以通過離子交換作用、配合作用、沉淀作用去除重金屬離子［7-10］。由于蒙脫石對重金屬離子具有較強的吸附能力，因此大量研究人員采用其作為吸附劑，對重金屬離子開展了吸附研究［11-15］。

本研究選擇Ni2+和Cu2+作為目標污染物，通過實驗考察不同影響因素下蒙脫石對兩種重金屬的吸附能力，并在此基礎上進行動力學研究。

1 實驗

1.1 實驗試劑與儀器

1.1.1 實驗試劑

蒙脫石(由天然膨潤土經離心提純后制得)、Ni(NO3)2·6H2O(AR)、Cu(NO3)2·3H2O(AR)、硝酸(AR)。

1.1.2 測試方法及儀器設備

溶液中離子濃度采用AA-6300C原子吸收光譜(日本Shimadzu公司)測定;溶液pH值采用PHS-3C型數字式酸度計(江蘇江分電分析儀器有限公司)測定。其他主要儀器包括:精密電子天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)、SHA-B型水浴恒溫振蕩器(江蘇金壇國勝實驗儀器廠)、FT101AC(S)P-4電熱鼓風干燥箱(鎮江豐泰化驗制樣設備有限公司)。

1.2 吸附實驗

1.2.1 實驗過程

分別溶解一定量的 Cu(NO3)2·3 H2O和Ni(NO3)2·6H2O于1L蒸餾水中制備1 000 mg/L的貯備液。實驗時首先取貯備液稀釋至所需濃度從而配制成為使用液，然后取一定體積的使用液置于錐形瓶中，加入一定量的蒙脫石，在25±1℃恒溫水浴振蕩器中進行吸附，吸附達到平衡后快速過濾，通過火焰原子吸收光譜直接測定上清液中殘余的金屬離子濃度。根據下式計算平衡吸附量qe(mg/g):

式中 C0— 溶液中初始離子濃度，mg/L;

Ce—吸附平衡時離子濃度，mg/L;

V—溶液體積，L;

m—蒙脫石質量，g。

2 實驗結果

2.1 溶液初始pH值對Cu2+和Ni2+吸附性能的影響

本實驗研究了pH從2.45到9.6范圍內溶液pH值對蒙脫石吸附Cu2+和Ni2+的影響。實驗條件為:溶液體積40 mL，蒙脫石使用量0.5 g，吸附溫度25℃，Cu2+和Ni2+的初始濃度均為100 mg/L。實驗結果如圖1所示。

由圖1可以看出溶液中Cu2+和Ni2+的剩余濃度隨著溶液pH增大而大幅下降，表明提高溶液pH值有利于蒙脫石吸附Cu2+和Ni2+。分析原因主要是金屬離子的去除主要依賴于吸附劑表面的活性位點數量和溶液中金屬離子本身的特性。pH較低時，溶液中的H+與金屬離子產生競爭，爭奪吸附劑上有限的吸附位點從而降低吸附效果;隨著pH升高，H+量減少不再與金屬離子產生競爭從而使得更多的金屬離子能夠得以吸附，因此吸附效率明顯提高。

圖1 不同pH下溶液中Cu2+和Ni2+的剩余濃度

2.2 不同劑量吸附劑對Cu2+和Ni2+吸附性能的影響

實驗考察了不同質量的蒙脫石對Cu2+和Ni2+的吸附情況。實驗條件為:所采用蒙脫石的量分別為0.1、0.5、1.0、1.5 g，溶液體積 40 mL，吸附溫度25℃，Cu2+和Ni2+的初始濃度均為100 mg/L，溶液pH值7.0±0.1。實驗結果如圖2所示。

圖2 蒙脫石用量對Cu2+和Ni2+吸附過程的影響

結果表明，隨著蒙脫石用量的增加，溶液中Cu2+和Ni2+的剩余濃度隨之降低，意味著去除效率相應增加。分析原因認為是在保持吸附質濃度恒定不變的情況下增加吸附劑的量也就意味著增加了更多的可用吸附位點，從而使更多的金屬離子能夠被吸附。

2.3 溶液重金屬離子濃度對吸附效果的影響

本實驗還研究了不同的重金屬離子濃度條件下，蒙脫石對Cu2+和Ni2+的吸附過程，實驗條件為:溶液體積40 mL，蒙脫石使用量0.5 g，吸附溫度25℃，溶液pH值7.0±0.1。結果如圖3和圖4所示。

圖3 不同初始濃度下Ni2+吸附平衡量與時間關系

圖4 不同初始濃度下Cu2+吸附平衡量與時間關系

由圖3和圖4可以看出，蒙脫石對2種離子的吸附速率都非常快，在50～100 min內，蒙脫石對Cu2+的吸附便達到了吸附平衡狀態，而對Ni2+的吸附平衡狀態在100～150 min內出現。相比而言，在50、100 mg/L的初始濃度下，蒙脫石對Ni2+和Cu2+的吸附量相當;而在200、300 mg/L的初始濃度下，蒙脫石對Ni2+的吸附量比對Cu2+的吸附量更高。由于其他天然粘土材料，例如凹凸棒石、綠泥石、伊利石等均具有與蒙脫石類似的層狀硅酸鹽結構以及粘土材料特有的陽離子交換特性，因此根據本實驗的結果推測這類材料對Ni2+的吸附能力要高于其對Cu2+的吸附能力。

2.4 吸附動力學研究

根據實驗結果，利用準1級動力學模型和準2級動力學模型對蒙脫石吸附Cu2+和Ni2+的過程進行擬合。

(1)準1級動力學模型:

上式的直線形式為:

其中，k1是準1級吸附速率常數，min-1;q是不同時間對應的金屬離子吸附量，mg/g;qe是平衡時吸附劑所吸附的金屬離子量，mg/g。

(2)準2級動力學模型:

上式的直線形式為:

其中，k2是準2級吸附的速率常數，單位是g/(mg/min)，其他參數意義同準1級動力學方程。

根據公式(3)、(5)，利用實驗數據作圖，利用所得到的直線斜率和截距能夠得到方程中的相關參數，具體參數見表1。

表1 不同濃度下蒙脫石吸附Cu2+和Ni2+的動力學參數

通過表1可以看出，不同濃度下的準2級動力學模型的相關系數均大于0.998，準1級動力學模型的相關系數均低于準2級動力學模型。根據準2級動力學模型計算所得的吸附量qe與實驗測定值(qexp)非常接近，但是準1級動力學模型計算值與實驗測定值之間則有很大的差別，這表明蒙脫石吸附Cu2+和Ni2+的吸附動力學符合準2級動力學模型。

3 結論

本實驗研究了蒙脫石吸附劑對廢水中Cu2+和Ni2+的吸附，結果表明:

(1)隨著pH的增大，吸附效率明顯提高。當pH＜7時，H+會與金屬離子發生吸附競爭從而抑制吸附，pH值增加有利于金屬離子的去除;在初始濃度不變的條件下增加吸附劑用量，蒙脫石對重金屬離子的去除率升高;相同條件下，蒙脫石對Ni2+的吸附要強于對Cu2+的吸附。

(2)動力學擬合結果表明，蒙脫石對Cu2+和Ni2+的吸附動力學符合準2級動力學模型。

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