蒙脫石對溶液中重金屬的吸附特性研究

莊劍恒

(中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

很多行業(yè)如冶煉、紡織、石油化工等在生產(chǎn)過程中會排放大量的含重金屬廢水，重金屬具有不可生物降解、有毒、能在生物體內(nèi)富集等特點［1］，因此重金屬的存在成為人類生存環(huán)境中一個主要問題，這也使得去除廢水中的重金屬物質(zhì)成為保護(hù)環(huán)境和人類健康的一個重要任務(wù)。由于吸附法具有高效、節(jié)能、可循環(huán)等特點，使其成為處理含重金屬廢水的重要方法之一［2］。蒙脫石是一種具有特定表面化學(xué)特性的天然粘土礦物，由于蒙脫石的晶體化學(xué)特性，其去除重金屬離子的機制主要包括:1)在永久電位上的離子交換;2)在邊緣位置表面羥基位的配合作用;3)在表面及內(nèi)部孔道發(fā)生的沉淀作用［3］。鑒于蒙脫石對重金屬離子的吸附能力，因此采用其作為吸附劑，以Cd2+，Zn2+，Pb2+等重金屬離子為目標(biāo)污染物開展吸附研究［4］。

1 實驗

1.1 實驗原理

分別溶解一定量的Ni(NO3)2·6H2O 和Cu(NO3)2·3H2O于0.5 L 蒸餾水中制備500 mg/L 的貯備液，稀釋其至所需濃度來制備使用液，在25 ℃±1 ℃恒溫水浴振蕩器中進(jìn)行吸附實驗來研究吸附過程。向50 mL 的金屬離子溶液中加入已知量的蒙脫石，充分混合，使吸附達(dá)到平衡。經(jīng)過快速過濾，采用火焰原子吸收光譜法直接測定清液中殘余的金屬離子濃度。根據(jù)式(1)計算平衡時吸附量qe(mg/g):

其中，Ce為吸附平衡時離子濃度，mg/L;C0為溶液中初始離子濃度，mg/L;V 為溶液體積，L;m 為蒙脫石質(zhì)量，g。

1.2 不同影響因素對吸附過程的影響研究

1)溶液初始pH 值對離子吸附性能影響研究:利用NaOH 溶液和HCl 分別調(diào)整溶液pH 值至預(yù)設(shè)值，一段時間后測定不同初始pH 值下溶液中Cu2+和Ni2+的剩余濃度;2)不同劑量吸附劑對離子吸附效果影響研究:在50 mL，100 mg/L 的金屬離子溶液中加入不同劑量的吸附劑進(jìn)行吸附，通過研究實驗結(jié)果確定吸附平衡;3)不同濃度下吸附時間對離子吸附效果影響研究:配置不同濃度的離子溶液，采用一定質(zhì)量的蒙脫石在不同時間內(nèi)對溶液中的離子進(jìn)行吸附研究并對結(jié)果進(jìn)行分析，測得平衡吸附量與時間的關(guān)系。

2 實驗結(jié)果

2.1 溶液初始pH 值對吸附性能影響研究

本實驗研究了不同pH 值對水中Cu2+和Ni2+吸附的影響。結(jié)果表明:當(dāng)pH ＞8.2 時，Cu2+和Ni2+均會發(fā)生沉淀，如圖1 所示描述了不同pH 值下蒙脫石吸附溶液中Cu2+和Ni2+的剩余濃度，由圖1 可以看出金屬離子的吸附效果隨著溶液pH 增大而大幅下降，溶液中金屬離子的去除主要依賴于溶液中金屬離子本身的特性和活性位點。在pH 較低時，溶液中的氫離子將與金屬離子產(chǎn)生競爭，從而降低吸附效果;隨著pH 升高，更多的表面負(fù)電荷可利用，使得更多的金屬離子被吸收，從而使吸附效果明顯提高。

圖1 不同pH 下溶液中Cu2+和Ni2+的剩余濃度

2.2 不同劑量吸附劑對吸附效果影響研究

不同蒙脫石用量的情況下，實驗結(jié)果如圖2 所示。數(shù)據(jù)表明:隨著吸附劑用量的增加，Cu2+和Ni2+的去除效率也相應(yīng)增加，相同時間內(nèi)蒙脫石對同體積同濃度的溶液的吸附效率隨其投加量的增多而有所提高，保持吸附質(zhì)濃度恒定不變，增加吸附劑用量使對于固定濃度的金屬離子具有更多的可用位點，從而導(dǎo)致該結(jié)果。

圖2 蒙脫石對Cu2+和Ni2+的吸附與吸附劑量的關(guān)系

2.3 不同濃度下吸附時間對吸附效果影響研究

蒙脫石吸附的Cu2+和Ni2+在不同濃度下與吸附時間的關(guān)系，如圖3 和圖4 所示表明了不同初始濃度下金屬離子的吸附量qe(mg/g)與時間的關(guān)系。從圖中可以看出，在50 min～100 min內(nèi)，Cu2+的吸附便達(dá)到了最大值，而Ni2+吸附的最大值在100 min～150 min 內(nèi)出現(xiàn)，且蒙脫石對Ni2+的吸附量要比對Cu2+的吸附量更高，從而蒙脫石對Ni2+的吸附行為更適用于其他天然吸附劑吸附金屬離子的模型。

圖3 不同初始濃度下對Ni2+吸附平衡量與時間關(guān)系

圖4 不同初始濃度下對Cu2+吸附平衡量與時間關(guān)系

3 結(jié)語

本實驗研究了蒙脫石(MMT)的表面特性以及其作為吸附劑對于廢水中Cu2+和Ni2+的吸附潛力，研究表明:

1)不同影響因素下蒙脫石對Cu2+和Ni2+的吸附效果是不同的。溶液的pH 對吸附過程影響很大，pH 值增加有利于金屬離子的去除;

2)相同條件下，蒙脫石對Ni2+的吸附效果要好于對Cu2+的吸附。

［1］A.Demirbas.Heavy metal adsorption onto agro-based waste materials:a review［J］.Hazard.Mater，2008(157):220-229.

［2］A.K.Bhattacharya，S.N.Mandal，S.K.Das.Adsorption of Zn(Ⅱ)from aqueous solution by using different adsorbents［J］.Chem.Eng.J.，2006(123):43-51.

［3］A.M.L.Kraepiel，K.Keller，F(xiàn).M.M.Morel.A model for metal adsorption on montmorillonite［J］.Colloid Interface Sci.，1999(210):43-54.

［4］K.Saltal，A.Sar，M.Ayd n.Removal of ammonium ion from aqueous solution by natural Turkish (Y ld zeli)zeolite for environmental quality［J］.Hazard.Mater.，2007(141):258-263.