Zn2+、Cd2+在腐植酸上的吸附動力學與解吸作用研究

李春玲 羅慶軍 李春峰

(內蒙古多倫縣環境監測站 錫林郭勒 027300)

Zn2+、Cd2+在腐植酸上的吸附動力學與解吸作用研究

李春玲 羅慶軍 李春峰

(內蒙古多倫縣環境監測站 錫林郭勒 027300)

研究了Zn2+、Cd2+在腐植酸上的吸附動力學及其解吸特征。考察了初始pH與溫度對吸附作用的影響。結果表明，金屬離子的吸附量隨初始pH的升高而增大，隨溫度升高而增大。Zn2+、Cd2+在腐植酸上的吸附符合偽二級吸附速率模型。吸附在腐植酸上的Zn2+、Cd2+在H2O、HCl、NaOH和NaCl溶液中的解吸量的關系是：HCl＞NaOH＞NaCl＞H2O。

鋅 鎘 腐植酸 吸附動力學 解吸

腐植酸與進入環境中的金屬離子會發生作用，形成各種絡合物和螯合物。腐植酸與金屬的這種作用，對金屬離子的遷移轉化有著重要的影響，水體腐植酸除明顯影響重金屬形態、遷移轉化、富集等環境行為外，還對重金屬的生物效應產生影響。天然水體中金屬離子與可溶性有機物相互作用研究方面，國外學者主要研究的是受污染較少的天然湖泊中的可溶性天然有機物[1～3]；國內學者主要是對金屬離子與腐植酸相互作用的動力學和等溫線等進行研究[4～9]。動力學研究主要是用偽一級和偽二級2種動力學模型進行擬合，等溫線研究主要用Langmuir模型和Freundlich模型進行擬合，從而探究作用機理。本文主要研究了鋅(Zn2+)、鎘(Cd2+)與腐植酸的相互作用受pH、溫度的影響，吸附動力學及Zn2+、Cd2+的解吸特征，為水體中金屬離子與有機物的相互作用研究提供了參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

腐植酸(生化試劑，上海巨楓化學科技有限公司生產。粉末狀，200目，可溶于水。羧酸型腐植酸，總腐植酸含量＞97%，總酸性基含量為135.14 mg/g，羧基量為132.5 mg/g，酚羥基量為2.64 mg/g)；高純鋅粒(成都中建材光電材料有限公司)；高純鎘(成都中建材光電材料有限公司)；硝酸(優級純，天津科密歐化學試劑有限公司)；NaOH(分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司)；SHZ-82型水浴恒溫振蕩器；PHS-25C微機型酸度計；TAS-990型原子吸收分光光度計。

1.2 實驗方法

1.2.1 pH對吸附作用的影響

在室溫(293.15 K)轉速為150 r/min條件下，將0.05 g腐植酸加入到50 mL、初始濃度為10 mg/L的Zn2+或Cd2+的初始pH值分別為2、3、4、5、6、7、8的不同溶液中，吸附時間為180 min，從Zn2+、Cd2+的吸附量考察pH的影響。

1.2.2 溫度對吸附作用的影響

在轉速為150 r/min下，將0.05 g腐植酸加入到50 mL初始濃度為10 mg/L Zn2+或Cd2+的溶液中，考察溫度分別為293、303和313 K時的吸附量隨時間變化。

1.2.3 吸附動力學

在150 r/min的轉速下，溫度分別為293、303和313 K，對初始濃度為10 mg/L Zn2+或Cd2+的溶液進行吸附實驗，吸附時間為180 min，并對動力學模型擬合得到的飽和吸附量與實際實驗達到吸附平衡時的吸附量作對比。

1.2.4 吸附量計算

不同金屬離子的吸附量通過式(1)得到：

式中，qt為t時刻金屬離子的吸附量，mg/g；C0為溶液中金屬離子的初始濃度，mg/L；Ct為t時刻金屬離子的剩余濃度，mg/L；V為溶液的體積，L；m為吸附劑的質量，g。

1.2.5 Zn2+、Cd2+的解吸

首先，在室溫(293.15 K)轉速為150 r/min條件下，將10 g腐植酸加入到100 mL Zn2+、Cd2+的初始濃度為2000 mg/L的溶液進行實驗，吸附達到平衡時，過濾，曬干后得到所需腐植酸樣品，然后將上述吸附有Zn2+、Cd2+的腐植酸樣品0.5 g分別在50 mL去離子水(H2O)、0.01 mol/L HCl、0.01 mol/L NaOH和0.01 mol/L NaCl中進行解吸實驗。金屬離子的解吸量通過式(2)得到：

式中，qd為金屬離子的解吸量，mg/g；Cd為解吸后溶液中金屬離子的濃度，mg/L；V為解吸溶液體積，L；m為腐植酸樣品的質量，g。

2 結果與討論

2.1 pH對相互作用的影響

由圖1可知，金屬離子的吸附量是隨pH值上升而增大的，在pH值小于4的情況下，Zn2+、Cd2+的吸附量都較低，當pH值在6～8時，Zn2+、Cd2+的去除率分別達到98.9%、98.7%，金屬離子幾乎全部被去除。這是因為溶液中金屬的形態隨著pH的增加是有變化的，較高的pH條件下金屬離子易被腐植酸吸附，水解生成其氫氧化物而沉降。腐植酸[簡式為Hum(OH)COOH]是一種多元酸，含有的羧基和羥基等官能團，與金屬離子(M2+)絡(螯)合，釋放出H+[10]，反應式如下：

低pH下溶液中較多的H+不利于正反應的進行，抑制了H+的釋放，同時金屬離子與H+對相互作用點位的競爭[11]，相反高的pH對于H+釋放有利，從而使金屬離子的吸附量升高。因此，中性條件是適合吸附反應進行的。

圖1 初始pH對Zn2+、Cd2+吸附量的影響Fig.1 Effect of initial pH on the adsorption capacity of Zn2+, Cd2+

2.2 溫度對相互作用的影響

在293、303和313 K的不同溫度下，對腐植酸在初始濃度分別為10 mg/L的Zn2+、Cd2+的溶液中的吸附量進行實驗，各反應液的初始pH調節到5，考察腐植酸對Zn2+、Cd2+的吸附量受溫度的影響。

圖2 Zn2+、Cd2+在腐植酸上的吸附量受溫度的影響Fig.2 Effect of temperature on the adsorption capacities of Zn2+， Cd2+ on humic acid

圖2 分別表示Zn2+、Cd2+在腐植酸上不同熱力學溫度下的吸附量隨時間變化曲線，隨著溫度的升高，Zn2+、Cd2+在腐植酸上的吸附量隨之增加。由此說明金屬離子與腐植酸的相互作用是吸熱的，溫度升高，金屬離子的擴散速度相應提高，離子的活性也相應增大，從而使金屬離子進入吸附劑腐植酸的結構中[12]。與Zn2+相比，Cd2+受溫度的影響較小。

2.3 吸附動力學

吸附過程的動力學研究主要是用來描述吸附劑吸附溶質的速率快慢，通過動力學模型對數據進行擬合，從而探討其吸附機理。本文用2種動力學模型對數據進行了擬合，以期得到最適合的描述。

(1) 偽一級吸附模型，采用Lagergren[13]方程計算吸附速率：

式中，qt和qe分別為t時刻和平衡態時的吸附量，mg/g；k1為偽一級吸附速率常數，min-1。對式(4)從t=0到t＞0(q=0到q＞0)進行積分，可以得到：

(2) 偽二級吸附模型方程表達式[14]為：

式中，k2為偽二級吸附速率常數，min-1。

對式(6)從t=0到t＞0(q=0到q＞0)進行積分，寫成直線形式為：

令

(7)(8)兩式中，qt和qe分別表示t時刻和平衡態時的吸附量，mg/g；h表示初始吸附速率常數，mg/(g·min)。

按照偽一級和偽二級2種動力學模型，利用最小二乘法對實驗數據進行線性擬合，通過直線的斜率和截距進行計算得到的動力學參數見表1。比較表1中各個方程擬合的線性相關系數R2可知，偽二級方程對Zn2+、Cd2+的吸附行為都有很好的描述(R2＞0.999)，偽一級方程的擬合程度較差。這是因為，盡管一級動力學模型已經廣泛地應用于各種吸附過程，但它卻有局限性[15]。一級模型常常只適合吸附初始階段的動力學描述，而不能準確地描述吸附的全過程。相比之下，偽二級模型包含了吸附的所有過程，如外部液膜擴散、表面吸附和顆粒內擴散等[16]，更真實全面地反映了金屬離子在腐植酸上的吸附機理。以Zn2+在腐植酸上的吸附為例，在293、303和313 K 3個溫度下用偽二級模型計算出的qe值分別為9.506、9.615、9.980 mg/g，與實際測量值(分別為9.512、9.609、9.973 mg/g)非常接近，相對誤差非常小。

表1 Zn2+、Cd2+在腐植酸上的動力學模型擬合Tab.1 Fitting of the dynamic models of Zn2+, Cd2+ on humic acid

2.4 吸附活化狀態函數

根據Arrhenius公式得到：

式中，k為反應速率常數(取偽二級吸附速率常數k2)；Ea為活化能，kJ/mol；R為理想氣體常數。

由線性擬合的斜率可以求得吸附過程的活化能Ea，Zn2+、Cd2+在腐植酸上吸附的lnk對1/T圖，見圖3。計算得到Zn2+在腐植酸上吸附的Ea為24.89 kJ/mol；Cd2+在腐植酸上吸附的Ea為3.455 kJ/mol。物理吸附速度較快，需要的活化能很小，大約為8.368～25.1 kJ/mol；而化學吸附所需要的活化能通常大于83.72 kJ/mol[17]。由于較小的活化能導致吸附反應速率較快[18]，達到平衡所需的時間較短。因此，Zn2+和Cd2+在腐植酸上吸附均以物理吸附為主，吸附速率較快，且受溫度的影響比較小。

2.5 Zn2+、Cd2+的解吸

吸附有Zn2+、Cd2+的腐植酸在不同的溶液中解吸，解吸量的差別很大，解吸量如表2所示。在H2O、HCl、NaOH和NaCl中的解吸量的關系是：HCl＞NaOH＞NaCl＞H2O。在去離子水中是沒有解吸，說明Zn2+、Cd2+與腐植酸結合的很牢固，不容易脫附；在鹽溶液中的解吸量也很小；在堿溶液中的解吸量增大；在HCl中的解吸量最大。這說明pH對解吸有影響，pH較低或較高時解吸量都較大，中性條件下解吸量較小，但鹽對其有一定影響。另外，這兩種離子的解吸量次序與吸附量相反：Zn2+＞Cd2+。說明金屬離子的吸附除與環境因子相關外，其本身化學性質很重要[19]。根據離子的吸附機理，將物質對金屬離子的吸附分為非專性吸附和專性吸附。非專性吸附由靜電引起，物質表面電荷密度越大，離子帶的電荷越多，就越容易吸附，其吸附力也越強，但被吸附的離子可以進行交換，也容易被解吸。專性吸附由離子的水合作用及共價鍵和氫鍵作用將被吸附的離子固定在腐植酸內，被吸附的離子不容易被解吸，大多數金屬離子屬于專性吸附。該實驗結果表明，Zn2+、Cd2+的解吸率都較低。這表明Zn2+、Cd2+在腐植酸上被專性吸附的可能性較大[20]，腐植酸是一種有效的吸附劑，能起到較好地固定金屬離子的作用。實驗還表明，溶液中的Zn2+、Cd2+在較短時間內被腐植酸大量吸附，從而使溶液中的Zn2+、Cd2+被有效固定下來。

圖3 Zn2+、Cd2+在腐植酸上吸附的lnk對1/T圖Fig.3 Plot of lnk vs. 1/T for adsorption of Zn2+, Cd2+ on humic acid

表2 Zn2+、Cd2+在不同溶液中的解吸量比較Tab.2 Comparison of desorption capacities of Zn2+, Cd2+in different solutions

3 結論

(1) Zn2+、Cd2+在腐植酸上的吸附量是隨初始pH值上升而增大的，在pH值小于4的情況下，Zn2+、Cd2+的吸附量都較低，當pH值在6～8時，Zn2+、Cd2+幾乎全部被去除。隨著溫度的升高，Zn2+、Cd2+的吸附量隨之增加。這說明Zn2+、Cd2+與腐植酸的相互作用是吸熱的，結合能力隨溫度升高而增大。與Zn2+相比，Cd2+受溫度的影響較小。

(2) Zn2+、Cd2+在腐植酸上的吸附符合偽二級吸附動力學模型。計算得到Zn2+在腐植酸上吸附的Ea為24.89 kJ/mol；Cd2+在腐植酸上吸附的Ea為3.455 kJ/mol。實驗表明，吸附過程以物理吸附為主。

(3) 吸附有Zn2+、Cd2+的腐植酸在不同的溶液中解吸，解吸量的差別很大，在H2O、HCl、NaOH和NaCl溶液中的解吸量的關系是：HCl＞NaOH＞NaCl＞H2O。

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Study of Adsorptive Kinetics and Desorption of Zn2+, Cd2+on Humic Acid

Li Chunling, Luo Qingjun, Li Chunfeng
(Environmental Monitoring Station of Inner Mongolia Duolun County, Xinlin Gol, 027300)

The effects on the adsorption with a series of initial pH and temperature were studied to know the adsorptive kinetics and desorption of Zn2+, Cd2+on humic acid. The results showed that the adsorption capacities of the metal ions increased with increasing initial pH and higher temperature. The adsorption process followed the pseudo secondary adsorption rate model. The desorption capacities of adsorption on the humic acid Zn2+, Cd2+in different solutions were HCl ＞ NaOH ＞ NaCl ＞ H2O.

zinc; cadmium; humic acid; adsorptive kinetics; desorption

TQ314.1，O647.31

1671-9212(2017)05-0020-06

A

10.19451/j.cnki.issn1671-9212.2017.05.005

2017-03-16

李春玲，女，1983年生，工程師，研究方向為環境監測與污染治理，E-mail： 53982346@qq.com。