白陶土對Pb(Ⅱ)吸附特性

史 艷 婷，　張 金 利，　楊 　 慶*

( 1.大連理工大學(xué) 巖土工程研究所, 遼寧 大連　116024；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連　116024 )

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白陶土對Pb(Ⅱ)吸附特性

史 艷 婷1,2，張 金 利1,2，楊 慶*1,2

( 1.大連理工大學(xué) 巖土工程研究所, 遼寧 大連116024；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連116024 )

摘要：采用間歇試驗(yàn)研究白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附特性，考慮了吸附劑用量、初始溶液pH、離子強(qiáng)度、反應(yīng)時(shí)間、溫度及鉛初始濃度等因素的影響．間歇試驗(yàn)結(jié)果表明，吸附劑用量、pH、離子強(qiáng)度等因素對鉛去除影響顯著，溫度對白陶土吸附能力影響相對較小．在20 ℃、pH0=5.5、初始濃度200 mg/L、吸附劑用量1 g/L 下，白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附量可達(dá)136.33 mg/g．動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附為快速反應(yīng)，10 min時(shí)的吸附量為最大吸附量的80%，180 min內(nèi)即達(dá)到吸附平衡，偽二級動(dòng)力學(xué)模型對白陶土吸附Pb(Ⅱ)的過程擬合較好．Langmuir模型可較好地預(yù)測白陶土對Pb(Ⅱ)的等溫吸附．熱力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附為自發(fā)與吸熱反應(yīng)，升溫有利于吸附反應(yīng)的進(jìn)行．白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附機(jī)制為離子交換、靜電吸附與絡(luò)合反應(yīng)．

關(guān)鍵詞：白陶土；鉛；吸附；平衡；動(dòng)力學(xué)；熱力學(xué)；機(jī)制

0引言

我國經(jīng)濟(jì)經(jīng)過30多年的高速發(fā)展而伴生的較為嚴(yán)重的環(huán)境問題包括局部土壤中的重金屬含量超標(biāo)、地表與近海水體處于劣等水平、地下水體污染等．土壤、水體的重金屬污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅人民群眾的身體健康．西南地區(qū)含有豐富的稀土與有色金屬資源，在礦床開采與冶煉過程中，所引起的重金屬污染已經(jīng)達(dá)到觸目驚心的程度．水口山礦區(qū)Pb、Zn、Cr、Cu、Hg含量分別為3 966.88、2 086.25、135.31、185.63、56.15 mg/kg[1]．湘江中下游衡陽-長沙段農(nóng)田土壤Cd、Pb、Zn超標(biāo)7.97、3.69、1.63倍[2]．東莞農(nóng)田土壤中Pb、Hg含量高于背景值的1.82、2.82倍[3]．寶雞常青鎮(zhèn)鉛鋅礦周邊土壤Cu、Pb、Zn嚴(yán)重超標(biāo)[4]．銅陵惠溪河流域周邊土壤As、Ni、Cu、Pb、Zn含量顯著高于背景值[5]．西南山地鉛鋅礦區(qū)周邊耕地Pb、Zn、Cd、Cu、As分別超標(biāo)10.98、5.86、6.36、0.08、11.45倍[6]．由此可見，在有色金屬資源區(qū)，重金屬污染相當(dāng)嚴(yán)重．環(huán)境中的重金屬可在土壤、植物與動(dòng)物體中累積，并通過食物鏈進(jìn)入人體，在器官中富集，引起各種疾病，威脅人類健康[7-8]．導(dǎo)致鉛污染的源頭除鉛鋅礦開采冶煉外，其作為穩(wěn)定劑廣泛用于各種行業(yè)，所產(chǎn)生的工業(yè)廢水過量不達(dá)標(biāo)排放，可導(dǎo)致鉛污染．

常用的工業(yè)廢水處理方法包括化學(xué)沉淀[9]、膜過濾[10-11]、離子交換[12-14]、凝結(jié)[15]和電解法[16]等．但上述方法工藝復(fù)雜，運(yùn)行成本高．近年來，吸附法處理廢水受到廣泛關(guān)注．廉價(jià)高效吸附劑的選擇對于吸附法的工程應(yīng)用具有重要意義．Abdel-Halim 等研究多種吸附劑對Pb2+的吸附特性，得到骨粉吸附Pb2+能力較強(qiáng)[17]．沸石、高嶺土等天然材料對Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Pb2+、Cd2+等離子具有一定的吸附能力，但吸附量較小[18-19]．研究表明，中國黃土對Pb2+的吸附機(jī)理分為Pb2+與方解石的化學(xué)反應(yīng)、黏土礦物的表面絡(luò)合及石英的水解[20]．在黏土中加入磷酸鹽、MnO2可提高黏土的吸附能力[21-23]．白陶土廣泛用于造紙、陶瓷及橡膠等行業(yè)，但針對白陶土吸附重金屬離子的研究較少．

本文以白陶土為吸附劑，重點(diǎn)對其吸附Pb(Ⅱ)的特性及主要影響因素進(jìn)行探究．基于試驗(yàn)結(jié)果，初步分析白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附機(jī)制．

1材料與試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)用白陶土購于河北靈壽縣煜成礦產(chǎn)品加工有限公司．白陶土顆粒極細(xì)，滿足試驗(yàn)要求．將適量白陶土放在60 ℃烘干箱中烘干24 h，冷卻至室溫，置于干燥器中待用．白陶土樣品如圖1所示．

圖1　白陶土樣品圖

試驗(yàn)中所用Pb(NO3)2、KCl、NaCl試劑均為分析純．量取1.598 5 g Pb(NO3)2試劑于1 L容量瓶中，配制Pb(Ⅱ)濃度為1 000 mg/L的母液，試驗(yàn)過程中所需Pb(Ⅱ)溶液均由蒸餾水稀釋母液得到．

儀器：DHG-9011A型烘干箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；SHA-C型恒溫振蕩器 (國華電器有限公司)；SRS3400型X射線熒光光譜儀(德國布魯克公司)；3H-2000PS1型孔徑分析儀(貝士德儀器科技有限公司)；Quanta 450型電鏡掃描儀(美國FEI公司)；CT15RT型離心機(jī)(上海天美生化儀器設(shè)備工程有限公司)；AA6000型原子吸收分光光度計(jì)(上海天美生化儀器設(shè)備工程有限公司)； Starter2C型pH計(jì)(上海奧豪斯儀器有限公司); Nicolet 6700型Fourier紅外光譜分析儀(Thermo Fisher Scientific)；X′Pert Powder 型X射線衍射儀(PANalytical B.V.)．

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1白陶土的基本特性分析為確定白陶土的化學(xué)成分、比表面積及微觀結(jié)構(gòu)，分別采用X射線熒光光譜儀與孔徑分析儀測試白陶土的比表面積與化學(xué)成分．以掃描電鏡分析白陶土的微觀結(jié)構(gòu)．1.2.2間歇試驗(yàn)將盛有試樣的錐形瓶編號后恒溫水浴振蕩12 h，溫度設(shè)定為某預(yù)定值，控制轉(zhuǎn)速為120 r/min．離心機(jī)轉(zhuǎn)速5 000 r/min下運(yùn)行8 min離心，取上清液，用原子吸收分光光度計(jì)測定Pb(Ⅱ)的濃度．以pH計(jì)分別測試吸附反應(yīng)前溶液的pH(pH0)及反應(yīng)后溶液的pH(pHe)．每組試驗(yàn)均設(shè)置不添加白陶土的空白樣，并在相同條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)取平均值，以消除試驗(yàn)誤差．

平衡時(shí)的吸附量qe、去除率R與白陶土投加比r按下式計(jì)算：

(1)

(2)

r=m/V

(3)

式中：C0、Ce分別為初始、平衡時(shí)溶液中Pb(Ⅱ)的濃度(mg/L)；m為吸附劑的用量(g)；V為Pb(Ⅱ) 溶液的體積(L)．

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1白陶土特性分析

白陶土的主要化學(xué)成分、微孔體積、比表面積等詳見表1、2．由表1可見，白陶土主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、MgO等，占總質(zhì)量的97%．由表2可知，白陶土具有微孔及較大的比表面積．其中，Langmuir法認(rèn)為物質(zhì)表面只吸附一層吸附質(zhì)，BET法假設(shè)物質(zhì)表面吸附多層吸附質(zhì)，兩者得到的單位質(zhì)量的單層飽和吸附量不一樣，得到的比表面積也不同，所以在考慮單位質(zhì)量吸附量相同的情況下，Langmuir法計(jì)算出來的比表面積要大于BET法比表面積．

表1　白陶土化學(xué)成分

表2　白陶土物理參數(shù)

為進(jìn)一步分析白陶土的微觀結(jié)構(gòu)，通過掃描電鏡在5 000倍與20 000倍下進(jìn)行掃描，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示．由圖可見，白陶土顆粒的層間堆疊形態(tài)為片狀，表面不均勻：含有豐富的凹陷和突起，微孔極其發(fā)育且大小不一．

(a) 5 000倍

(b) 20 000倍

圖2白陶土的SEM圖

Fig.2SEM graph of white pottery clay

2.2白陶土投加比對吸附特性的影響

為分析白陶土投加比變化對吸附特性的影響，在溫度為20 ℃、C0=200 mg/L、試驗(yàn)中不調(diào)節(jié)pH(pH0=5.5)、r為0.2～2.0 g/L下進(jìn)行試驗(yàn)．白陶土投加比與去除率及吸附量的關(guān)系如圖3所示．白陶土對Pb(Ⅱ)的去除率隨白陶土投加比增大而提高，而吸附量相對降低．分析原因?yàn)殡S白陶土質(zhì)量增加，其表面積增大，且可吸附Pb(Ⅱ) 的表面活性吸附位點(diǎn)數(shù)量增加[24]；溶液中Pb(Ⅱ)濃度隨白陶土質(zhì)量增加而降低，白陶土中可吸附位點(diǎn)未完全暴露，及吸附劑與溶液間有效接觸面積下降共同作用，使吸附量逐漸減小[25]．

白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附可表示為[23]

S代表活性表面官能團(tuán)(如Si—O-、Al—O-)．

當(dāng)r=0.2 g/L時(shí)，白陶土的吸附量可達(dá)177.5 mg/g；r=2.0 g/L時(shí)，去除率高達(dá)97%．在r=4.0 g/L下，泰國膨潤土對Pb(Ⅱ)的去除率為69.5%[26]，遠(yuǎn)小于白陶土．由此可見，白陶土對Pb(Ⅱ)具有較高去除能力．

圖3　白陶土投加比對白陶土吸附Pb(Ⅱ)的影響

2.3pH的影響

鉛在溶液中的存在價(jià)態(tài)受pH控制，當(dāng)pH<6時(shí)，溶液中的鉛主要以Pb2+形式存在[27-28]；為防止產(chǎn)生沉淀，在試驗(yàn)中控制溶液pH<6．

在20 ℃、C0=200 mg/L下，以0.01和0.10 mol/L HNO3調(diào)節(jié)Pb(NO3)2溶液的pH0，然后將溶液加入到盛有0.05 g白陶土的50 mL錐形瓶中(r=1 g/L)，以分析pH0對吸附的影響，并測試平衡后的pHe，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示．

圖4　pH對白陶土吸附Pb(Ⅱ)的影響

由圖可見，隨pH0的增大，白陶土對Pb(Ⅱ)吸附量顯著增大．在強(qiáng)酸環(huán)境下(pH<2)，因溶液中H+含量較高，H+與Pb2+競爭活性吸附位點(diǎn)[29]，導(dǎo)致白陶土對Pb2+吸附量較低；當(dāng)pH增大時(shí)，白陶土表面負(fù)電荷數(shù)量增加，Pb2+與白陶土的表面吸附位點(diǎn)的靜電引力增大，H+與Pb2+的競爭效應(yīng)減小[30]，白陶土對Pb2+吸附能力增加．研究表明，鋁硅酸鹽礦物具有永久結(jié)構(gòu)電荷，這類礦物表面存在可交換離子(Ca2+、Mg2+、Na+)的位點(diǎn)[31]，且白陶土中有機(jī)質(zhì)含量相對較高，有機(jī)質(zhì)的表面積及陽離子交換能力比黏土礦物高[32]．Pb2+以離子交換形式吸附在白陶土表面，可表示為[33]

2(≡SONa)+Pb2+→≡SOPbOS≡+2Na+

其中S代表白陶土中的礦物成分．當(dāng)pH0=5.5時(shí)，白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附量qe=136.33 mg/g，遠(yuǎn)高于黏土、膨潤土對Pb(Ⅱ)吸附量[27,34]．由圖4可知，吸附試驗(yàn)完成后pHe>pH0，主要原因?yàn)榘滋胀梁袎A性成分(CaO)及兩性官能團(tuán)(黏土礦物邊緣或表面存在的羥基)[27]．

2.4離子強(qiáng)度對去除Pb(Ⅱ)的影響

在白陶土投加比為1 g/L、C0=200 mg/L下，以不同濃度(0.002 5～0.400 0 mol/L)的NaCl和KCl溶液作為背景電解質(zhì)溶液來調(diào)整離子強(qiáng)度，進(jìn)而分析離子強(qiáng)度對白陶土去除Pb(Ⅱ)的影響．試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示．

圖5　離子強(qiáng)度對白陶土吸附Pb(Ⅱ)的影響

由圖可見，隨離子強(qiáng)度增加，白陶土對Pb(Ⅱ)吸附能力顯著下降，去除率降低，表明Na+、K+與白陶土的吸附位點(diǎn)結(jié)合能力較Pb2+強(qiáng)，存在明顯的競爭關(guān)系．當(dāng)離子強(qiáng)度在0.1～0.2 mol/L變化時(shí)，因離子強(qiáng)度的增加，白陶土擴(kuò)散層厚度減小，雙電子層被壓縮[35]，離子與土顆粒相互碰撞時(shí)的距離減小，相互間吸引力變大，增大的程度大于Na+、K+與Pb2+間競爭吸附位點(diǎn)的程度，故白陶土對Pb(Ⅱ)的去除率略有提高．當(dāng)離子強(qiáng)度超過0.2 mol/L時(shí)，Na+、K+與Pb2+間競爭強(qiáng)度增大，使白陶土對Pb2+的去除率進(jìn)一步下降，且K+半徑(0.133 nm)大于Na+半徑(0.098 nm)，其與白陶土的吸附力更大．故K+使白陶土對Pb2+的去除率降低程度較Na+顯著．

2.5白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附動(dòng)力學(xué)特性

為分析白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附動(dòng)力學(xué)特性，在r=1 g/L、溫度為20 ℃、試驗(yàn)過程中不調(diào)節(jié)pH的條件下，分析吸附反應(yīng)時(shí)間對不同初始濃度(200、300、400 mg/L)Pb(Ⅱ)吸附量的影響，白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附量隨反應(yīng)時(shí)間的變化見圖6．

圖6　白陶土對Pb(Ⅱ)吸附量隨反應(yīng)時(shí)間的變化

由圖可見，初始濃度對反應(yīng)時(shí)間影響較小，白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附為前期快速、后期緩慢兩個(gè)過程，表明吸附的發(fā)生分為兩個(gè)步驟，首先對應(yīng)溶液中的金屬離子和水合氫離子形成的配合物的解離，隨后為金屬離子和吸附劑上官能團(tuán)的相互作用．前10 min吸附量迅速升高到最大吸附量的80%，此后吸附量上升趨于緩慢，180 min內(nèi)基本達(dá)到吸附平衡．

為分析白陶土對Pb(Ⅱ)吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，采用偽二級動(dòng)力學(xué)模型描述白陶土吸附Pb(Ⅱ)的動(dòng)力學(xué)特性，可表示為

(4)

積分形式為

(5)

其中k2為偽二級動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)(g·mg-1·min-1)．

h為初始吸附速率(mg·g-1·min-1)，當(dāng)t趨近于0時(shí)，h表達(dá)式為

(6)

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合，可得到偽二級動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，見表3，擬合曲線見圖7．由圖7可見，擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，表明該模型可用于描述白陶土吸附Pb(Ⅱ)的動(dòng)力學(xué)特性．

表3　白陶土吸附Pb(Ⅱ)的偽二級動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)

圖7　偽二級動(dòng)力學(xué)模型的線性擬合

2.6白陶土對Pb(Ⅱ)的等溫吸附特性

在r=1 g/L，反應(yīng)時(shí)間為12 h，溫度分別為20、30和40 ℃下，變動(dòng)初始濃度C0(120～360 mg/L)進(jìn)行等溫吸附試驗(yàn)，結(jié)果見圖8．

由圖8易知，在較低初始濃度下，等溫吸附曲線斜率較大．吸附量隨初始濃度的增大而提高，不同溫度下試驗(yàn)結(jié)果趨于一致．隨溫度升高，白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附量呈上升趨勢，說明吸附過程伴隨吸熱，升溫對吸附有利．

為模擬白陶土對Pb(Ⅱ)的等溫吸附過程，采用以下兩種等溫吸附方程擬合白陶土對Pb(Ⅱ)的等溫吸附數(shù)據(jù)．

(1)Langmuir模型

Ce/qe=1/bQ+Ce/Q

(7)

式中：Q為最大單層飽和吸附量(mg/g)，b為Langmuir常數(shù)(L/mg)[36]，與吸附自由能有關(guān)．

Langmuir模型假設(shè)吸附發(fā)生在吸附劑的特定吸附位點(diǎn)上，并已成功應(yīng)用到許多單分子層吸附研究中．有研究指出可用Langmuir分離因子RL=1/(1+bC0)表示吸附過程是否有利，C0表示初始金屬離子濃度的最高值，0

圖8　不同溫度白陶土吸附Pb(Ⅱ)的等溫吸附線

(2) Freundlich模型

(8)

式中：KF與n為模型常數(shù)，分別與吸附劑的吸附量和吸附強(qiáng)度相關(guān)[26]．

采用上述兩個(gè)等溫吸附模型，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合，可分別得到不同溫度下不同模型參數(shù)，詳見表4．

表4　白陶土吸附Pb(Ⅱ)的等溫吸附模型常數(shù)預(yù)測

圖9與10給出相應(yīng)的擬合曲線．由R2值及擬合曲線相關(guān)性可知，Langmuir模型可較好地模擬白陶土對Pb(Ⅱ)的等溫吸附過程，而Freundlich模型不適合描述白陶土對Pb(Ⅱ)的等溫吸附過程．因此，白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附為單分子層吸附．

圖9　Langmuir模型的等溫吸附線性擬合

圖10　Freundlich模型的等溫吸附線性擬合

2.7白陶土對Pb(Ⅱ)吸附熱力學(xué)特性

為分析溫度變化對白陶土吸附特性影響，根據(jù)等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果，分別計(jì)算自由能變(ΔG)、焓變(ΔH)、熵變(ΔS)等熱力學(xué)參數(shù)，由此分析吸附反應(yīng)的熱力學(xué)效應(yīng)，相應(yīng)的計(jì)算式如下：

ΔG=-RTlnKd

(9)

ΔG=ΔH-TΔS

(10)

式中：R是普適氣體常量(8.314 J/(mol·K))，T是熱力學(xué)溫度(K)，Kd=qe/Ce為固相與液相間的分配系數(shù)(mL·g-1)，聯(lián)合式(9)與(10)可得到

(11)

由式(11)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合可得到ΔH、ΔS，由式(10)可計(jì)算ΔG，擬合曲線見圖11，具體數(shù)據(jù)見表5．ΔG在不同初始濃度與溫度下均為負(fù)值，說明吸附反應(yīng)為自發(fā)的；ΔH為正值，表明吸附反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升溫利于反應(yīng)進(jìn)行．

圖11　白陶土對Pb(Ⅱ)吸附的ln Kd-1/T圖

表5　白陶土吸附Pb(Ⅱ)的熱力學(xué)參數(shù)

2.8白陶土的紅外光譜及X射線衍射分析

由X射線熒光光譜分析結(jié)果可知，白陶土為鋁硅酸鹽礦物，分子式為H2Al2Si2O8·H2O，其主要氧化物成分為SiO2、Al2O3、CaO等．為進(jìn)一步分析白陶土吸附Pb(Ⅱ)的機(jī)理，分別對吸附Pb(Ⅱ)前后的白陶土進(jìn)行了紅外光譜及X射線衍射分析，相應(yīng)圖譜見圖12與13．

圖12　吸附劑的紅外光譜圖

圖13　吸附劑的XRD圖

由圖12可見，白陶土的紅外光譜在3 400～3 615 cm-1的頻率范圍內(nèi)存在吸收峰，該峰代表白陶土表面—OH的伸縮振動(dòng)[38]．出現(xiàn)在1 434 cm-1處的吸收峰由白陶土的Al—O—Al振動(dòng)吸收產(chǎn)生[39]．位于993、844、795 cm-1處的吸附波帶分別代表Si—O、Al—OH的彎曲振動(dòng)和Si—O的拉伸振動(dòng)[40]．白陶土負(fù)載Pb(Ⅱ)后，在3 400 cm-1處的特征峰移動(dòng)到了3 392 cm-1，表明—OH參與了白陶土的吸附過程．1 634 cm-1處的光譜帶反映了仍存留在二氧化硅基體上的H—OH彎曲振動(dòng)峰[41]，吸附前后未發(fā)生明顯變化．吸附前位于1 434 cm-1處的吸收峰，轉(zhuǎn)移到了1 396 cm-1處；Al—OH基團(tuán)由844 cm-1移動(dòng)到了832 cm-1處，表明Al—O—Al及Al—OH基團(tuán)在吸附過程中發(fā)揮一定作用．由紅外光譜可知，白陶土表面存在羥基官能團(tuán)可與Pb(Ⅱ)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)．

由圖13可見，白陶土在21.92°及36.39°處的衍射峰對應(yīng)礦物分別為高嶺石和SiO2[42]，在6.16°、19.80°、26.70°處的衍射峰對應(yīng)礦物為蒙脫石，由此可見，白陶土中的主要礦物為高嶺石、SiO2和蒙脫石．吸附前后白陶土的X射線衍射圖譜未發(fā)生明顯改變，表明吸附后未出現(xiàn)次生晶相．

2.9不同吸附劑吸附量對比

為對比分析白陶土、黃陶土、紅陶土、膨潤土、高嶺土等天然吸附劑對Pb(Ⅱ)吸附量，在溫度為20 ℃、r=1 g/L、Pb(Ⅱ)的初始濃度為100 mg/L、天然pH條件下，應(yīng)用不同吸附劑對Pb(Ⅱ)的吸附量進(jìn)行試驗(yàn)，吸附量由大到小的順序?yàn)榘滋胀?93.47 mg/g)>膨潤土(68.04 mg/g)>紅陶土(44.54 mg/g)>高嶺土(34.24 mg/g)>黃陶土(31.82 mg/g)．白陶土在未經(jīng)任何改性處理情況下，對Pb(Ⅱ)具有較高的吸附能力．

3結(jié)論

(1)白陶土對Pb(Ⅱ)具有較高的吸附能力，在r=1 g/L，C0=100 mg/L，溫度為20 ℃，試驗(yàn)過程不調(diào)節(jié)pH下的吸附量高達(dá)93.47 mg/g，遠(yuǎn)高于其他天然吸附劑．在r=2 g/L，C0=200 mg/L，溫度為20 ℃下的去除率接近100%．

(2)白陶土去除Pb(Ⅱ)的最優(yōu)pH為5.0～5.5．

(3)隨離子強(qiáng)度的增加，白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附能力減小．

(4)白陶土吸附Pb(Ⅱ)反應(yīng)快速，180 min基本達(dá)到平衡吸附，可應(yīng)用偽二級動(dòng)力學(xué)模型描述白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附過程．

(5)白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附為吸熱反應(yīng)，升溫有利于吸附反應(yīng)進(jìn)行，Langmuir模型可較好地描述白陶土對Pb(Ⅱ)的等溫吸附．

(6)白陶土對Pb(Ⅱ)的吸附機(jī)制主要為離子交換、靜電吸附及絡(luò)合反應(yīng)．

(7) 污水性質(zhì)及實(shí)際工業(yè)廢水參數(shù)，如重金屬離子濃度及pH還有待進(jìn)一步深入研究，以將理論與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合．

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文章編號：1000-8608(2016)04-0396-10

收稿日期：2015-08-06；修回日期: 2016-03-20．

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179023).

作者簡介:史艷婷(1989-)，女，碩士生，E-mail:15904258654@163.com；楊 慶*(1964-)，男，博士，教授，E-mail:qyang@dlut.edu.cn.

中圖分類號：TG454

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.7511/dllgxb201604011

Adsorption behaviors of Pb(Ⅱ) on white pottery clay

SHIYan-ting1,2,ZHANGJin-li1,2,YANGQing*1,2

( 1.Institute of Geotechnical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Abstract：Batch experiments were conducted to study the adsorption behaviors of Pb(Ⅱ) on white pottery clay. Several experimental conditions, including dosage of adsorbent, initial solution pH, ionic strength, contact time, temperature and initial concentration of lead, were investigated. The experimental results indicate that the lead removal is strongly dependent on dosage of adsorbent, pH and ionic strength. The temperature has a negligible effect on the adsorption capacity of white pottery clay. The maximum adsorption of Pb(Ⅱ) on white pottery clay is 136.33 mg/g at 20 ℃, with an initial concentration of 200 mg/L, pH0=5.5 and dosage of adsorbent of 1 g/L. The kinetics′ experimental results show that the adsorption of Pb(Ⅱ) on white pottery clay is a fast process and could reach equilibrium within 180 minutes. More than 80% of the maximum adsorption capacity can be reached in 10 minutes. The adsorption process of Pb(Ⅱ) on white pottery clay is well described by the pseudo-second order kinetic model. Langmuir model is found to be applicable to the prediction of isothermal adsorption of Pb(Ⅱ) on white pottery clay. The thermodynamics′ experimental results show that the adsorption of Pb(Ⅱ) on white pottery clay is a spontaneous and endothermic process. Raising temperature makes for the adsorption process. The adsorption mechanism mainly involves ion exchange, electrostatic interaction and complexation.

Key words：white pottery clay; lead; adsorption; equilibrium; kinetic; thermodynamic; mechanism