靖遠凹凸棒粘土對Zn2+吸附研究

王藝潔 楊家萍

蘭州交通大學博文學院

靖遠凹凸棒粘土對Zn2+吸附研究

王藝潔 楊家萍

蘭州交通大學博文學院

通過研究靖遠凹凸棒粘土從溶液中吸附金屬鋅離子的過程，考察了吸附時間、以及溫度因素對吸附效果的影響。結果表明，靖遠凹凸棒粘土原礦和改性土分別在在吸附時間為60 min，45min時吸附達到平衡。隨著溫度增加，凹凸棒粘土原礦和改性土吸附Zn2+的吸附量和吸附率都有所上升，但是變化不大.改性凹凸棒粘土在20℃時去除率已經達到98.98%，考慮到經濟性可以在室溫下進行，靖遠凹凸棒粘土對Zn2+有良好的吸附作用。同時等溫模型擬合表明兩種模型都可以在一定程度上描述凹凸棒粘土對鋅離子的吸附，但是在溫度較低時Freundlich方程的擬合效果更好。

靖遠凹凸棒粘土；吸附；鋅離子

1 引言

含鋅廢水是一種對環(huán)境污染十分嚴重的廢水，鋅攝入量過多可致中毒。隨著人們對環(huán)境和健康的日益重視，尋求高效低成本的方法徹底地處理含鋅廢水，使其達到并低于排放的標準將是今后一段時間的研究重點所在。傳統(tǒng)的物理、化學法在含鋅廢水的處理上應用十分廣泛，但仍然存在著諸如處理成本高、二次污染等問題。

在甘肅靖遠、臨澤等發(fā)現(xiàn)的大型凹凸棒粘土礦，經初步普查資源量可達10億噸以上，資源量豐富。凹凸棒粘土是一種層鏈狀結構的含水富鎂鋁硅酸鹽晶體礦物，具有獨特的物理化學性質。主要包括吸附性、載體性、催化性、可塑性和流變性等，可以作為處理水污染的吸附劑。本文主要采用甘肅靖遠凹凸棒粘土研究其吸附含鋅廢水，研究結果將為應用甘肅靖遠凹凸棒進行水體重金屬污染治理提供科學依據。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

凹凸棒原土：實驗所用凹凸棒粘土為2016年10月采自甘肅靖遠的紅色凹凸棒粘土。粉碎，取適量粉末過200目標準篩，編號為S0，置于干燥密閉容器中保存，備用。

鋅標準儲備液：稱取4.3977g固體七水硫酸鋅（分析純）于250mL燒杯中用蒸餾水溶解，移入1000ml容量瓶中稀釋至標線，搖勻，此溶液每毫升含100.0μg鋅。

2.2 試劑及儀器

試劑：七水硫酸鋅（分析純）；硫酸(化學純)

儀器：顎式破碎機（浙江上虞銀河測試儀器廠）；GJ-1密封式制樣粉碎機（浙江上虞市肖金化驗設備廠）；JA 1003N型電子天平(上海精密科學儀器有限公司)；HJ-6多頭磁力加熱攪拌器（金壇市振興實驗器材廠）；恒溫鼓風干燥箱（上海瑯玕實驗設備有限公司）；CP-Optima 2000DV等離子發(fā)射光譜儀(美國Perkin-El?mer公司)。

2.3 實驗方法

2.3.1 凹凸棒粘土改性實驗

取適量靖遠紅色粉末狀凹凸棒原礦過200目標準篩，按照10g/1000mL的固液比與2mol/L的硫酸溶液混合，室溫下置于HJ-6多頭磁力加熱攪拌器上攪拌20min，靜置18h，過濾，用蒸餾水水洗至pH呈中性，放入恒溫鼓風干燥箱內（105℃）烘干，研磨后過200目篩，在360℃馬弗爐燒2h，編號為S1，置于干燥密閉容器中保存，備用。

2.3.2 凹凸棒粘土吸附試驗

吸附體系由一定濃度的金屬溶液中加入定量的凹凸棒粘土，并于固定振蕩速率和不同溫度下恒溫振蕩24h。然后用過濾法分離固液相，液相由等離子發(fā)射光譜法測量重金屬離子濃度。

3 實驗結果與討論

3.1 吸附時間對Zn2+吸附性能的影響

在溶液pH為7.0、溫度為25℃、初始Zn2+質量濃度為60mg/L、凹凸棒黏土加入量為100mL Zn2+溶液中加入1g黏土，考察不同吸附時間條件下原礦及改性凹凸棒黏土對Zn2+的吸附性能，結果見圖1，圖2。在60min前，隨著攪拌時間的延長，凹凸棒原礦黏土對Zn2+的吸附率增加，60min后,殘余Zn2+含量基本不變，表明吸附時間為60分鐘時凹凸棒的吸附已經達到平衡，因此最佳吸附時間為60分鐘。改性凹凸棒粘土對Zn2+的脫除效果比凹凸棒原礦粘土好，吸附時間為45分鐘，水中殘余Zn2+含量最低，繼續(xù)延長吸附時間水中殘余Zn2+含量基本不變達到平衡，吸附時間為45分鐘。與原礦相比，改性凹凸棒粘土對Zn2+的去除效果明顯提高。

圖1 凹凸棒原礦吸附時間對吸附性能的影響

圖2 改性凹凸棒粘土吸附時間對吸附性能的影響

3.2 吸附溫度對Zn2+吸附性能的影響

在溶液pH為7.0、攪拌時間為50min、初始Zn2+質量濃度為60mg/L、凹凸棒黏土加入量為100mL Zn2+溶液中加入1g黏土，考察吸附溫度對吸附性能的影響。結果見圖3，圖4。凹凸棒原礦黏土對Zn2+的吸附容量和去除率隨吸附溫度的升高而增加，50℃后二者增加緩慢。這是由于溫度太低時，一方面溶液黏度大，分子擴散速率慢，另一方面，黏土對鉛離子的吸附可能為化學吸附，溫度低時化學吸附較慢，而升高溫度，液體擴散和吸附速率加大。改性凹凸棒粘土在20℃時去除率已經達到98.98%，隨著溫度增加，粘土吸附Zn2+的吸附量和吸附率雖然都有所上升，但是變化不大，可見溫度對改性凹凸棒石粘土吸附Zn2+的影響不大，考慮到經濟性可以在室溫下進行。

圖3 凹凸棒原礦溫度對吸附性能的影響

圖4 改性凹凸棒粘土溫度對吸附性能的影響

3.3 等溫吸附模型擬合

吸附等溫過程用Freundlich和Langmuir模型擬合，其函數關系如下：

Freundlich方程

式中kf——吸附系數；

1/n——經驗常數；

Ce——平衡質量濃度，mg/L；

qe——平衡吸附量，mg/g。

Langmuir方程

式中Ce——平衡質量濃度，mg/L；

qe——平衡吸附量，mg/g；

qm——單位表面達到飽和吸附時的最大吸附量，mg/g；

b——表征吸附表面強度的常數，L/mg。

3.3.1 凹凸棒原土吸附重金屬離子Zn2+的等溫吸附模型擬合

表1 鋅離子在凹凸棒原礦上吸附的等溫線常數和可決系數

表2 鋅離子在改性凹凸棒原礦上吸附的等溫線常數和可決系數

Freundlich等溫方程擬合曲線中得到的相關系數R2都較好，隨溫度的降低擬合效果變好，相關系數最高可達0.98以上，而吸附系數和經驗常數都隨溫度的降低而減小。Langmuir等溫方程擬合曲線中得到的相關系數R2同樣是隨溫度的降低擬合效果變好，其相關系數R2都在0.91以上。飽和吸附量qm隨溫度的升高而增大，表面吸附強度系數隨溫度的升高而降低。對比上述兩種方程擬合結果，兩種模型都可以在一定程度上描述凹凸棒原土對鋅離子的吸附，但是在溫度較低時Freundlich方程的擬合效果更好。

3.3.2 凹凸棒改性土吸附重金屬離子Zn2+的等溫吸附模型擬合

Langmuir等溫方程擬合曲線中得到的相關系數較Freun?dlich等溫擬合差，但其相關系數R2也都在0.9以上。飽和吸附量qm和表面吸附強度系數隨溫度的升高而增大。對比上述兩種方程擬合結果，兩種模型都能在一定程度上描述凹凸棒改性土對鋅離子的吸附，兩種模型線性擬合回歸方程的相關系數幾乎都在0.9以上。但比較兩者的相關系數可知，F(xiàn)reundlich方程的擬合結果更好。

4 結論

（1）在相同溫度下，比較靖遠凹凸棒原礦和改性土對同濃度Zn2+的去除率和去除量可以看出，改性凹凸棒粘土對Zn2+的吸附比原礦有更好的效果。

（2）靖遠凹凸棒原礦和改性土對Zn2+的吸附率隨著吸附時間增加而增加。靖遠凹凸棒原礦和改性土的吸附性能隨著溫度的升高有所增強，但不是特別明顯。提高溫度使達到最大吸附率的時間縮短。

（3）采用Freundlich和Langmuir方程對靖遠凹凸棒原礦和改性土的吸附等溫線進行擬合，發(fā)現(xiàn)兩種吸附模型都可以描述靖遠凹凸棒原礦和改性土對Zn2+的吸附。通過比較相關系數，F(xiàn)reundlich方程的擬合結果更好。

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王藝潔（1986-），女，漢族，甘肅蘭州人，講師，工學碩士，單位：蘭州交通大學博文學院，研究方向：污水及廢棄物處理，循環(huán)經濟和可持續(xù)發(fā)展

楊家萍（1987-），女，漢族，甘肅景泰人，講師，工學碩士，單位：蘭州交通大學博文學院，研究方向：水污染控制

蘭州交通大學博文學院校級課題：甘肅靖遠凹凸棒粘土環(huán)保吸附材料的制備及性能研究，項目編號：2016BWJX004