Keggin離子改性凹凸棒土對重金屬的吸附研究

謝偉芳，阮小燕，程 婷

（1江蘇城市職業學院 江蘇 南京 210017）

（2南京信息工程大學 江蘇 南京 210044）

1 引言

鉛是可在人體和動物組織中積蓄的有毒金屬。主要來源于各種油漆、涂料、蓄電池、冶煉、五金、機械、電南丹礦區污染嚴重鍍、化妝品、染發劑、釉彩碗碟、餐具、燃煤、膨化食品、自來水管等。鉛對水生生物的安全濃度為0.16mg/L，用含鉛0.1～4.4mg/L的水灌溉水稻和小麥時，作物中鉛含量明顯增加。

隨著工業排污量的急劇增加，大量重金屬污染物排向環境，使得水體和土壤中重金屬濃度嚴重超標。因此，近年來重金屬污染物的去除成為研究熱點[1-4]。鉛污染是重金屬污染中毒性較大的一種。鉛作為原料常用于農藥、蓄電池、電鍍、顏料、橡膠、燃料等制造業。鉛及其化合物主要通過呼吸道與消化道侵入人體，對人體健康產生極其不利的影響。由于鉛及其化合物對環境和人體造成嚴重危害，因此被列為“中國環境優先污染物黑名單”之一。粉煤灰是燃煤電廠排放的固體廢棄物，來源廣泛，價格低廉，具有較大的比表面積和固體吸附性能[5，6]。近年來，利用凹凸棒與作為吸附劑去除水中重金屬離子的研究備受關注。以前的研究結果表明凹凸棒土及其合成材料對水中重金屬離子具有較好的去除能力[7-10]。

本文利用Keggin離子改性的凹凸棒土（以下簡稱改性土）為基本吸附材料處理重金屬，在得到良好吸附效果的同時為重金屬的吸附研究提供參考。

2 實驗材料與方法

2.1 材料與儀器

本次試驗所用的凹凸棒土取自江蘇盱眙。

試劑：硝酸鉛（優級純）；氫氧化鈉；六水-三氯化鋁；硝酸；鹽酸；均為分析純。實驗中所用儀器設備及型號見表1。

表1 實驗中所用儀器設備及型號

2.2 Keggin離子制備

配制0.2mol/L的AlCl3溶液和0.5mol/L的NaOH溶液，將一定量的溶液置燒杯中，在60℃恒溫水浴中加熱攪拌；按OH-/A13+=2.4(mol比)的量比，將NaOH溶液緩慢滴入AlCl3溶液中；滴完后將溶液移入磨口錐形瓶中，繼續攪拌加熱2h后停止攪拌，用膠塞封住瓶口，然后在60℃下靜置48小時,得無色透Keggin離子溶液。

2.3 改性凹凸棒土的的制備

將上述離子溶液，離心取上清液，以100ml加2g凹凸棒土的量加入磨口錐形瓶中，60℃下攪拌兩小時后，靜置48小時，得改性土。

2.4 分析方法與相關計算公式：

重金屬去除率計算公式為：η=(C0-Ce)／C0×100%

式中，C0為金屬離子初始濃度，mg/L；Ce為金屬離子吸附平衡濃度，mg/L；

V為溶液體積，mL；m為吸附劑用量，g。

3 實驗結果與討論

3.1 改性凹凸棒土投加量的影響

改性凹凸棒土的投加量分別：0.125、0.25、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、6.5 g/L，Pb2+ 初始濃度為200 mg /L，初始PH為7，反應時間為1.5h。

改性凹凸棒土投加量對Pb2+的去除率的影響見圖1。

圖1 改性凹凸棒土投加量對Pb2+去除率的影響

由圖1可知，當改性土投加量為0.50～2.50g/L時，Pb2+去除率隨著改性土投加量的增大而上升，由0.50g/L時的14%增加到2.50g/L時的98%，此時反應趨于平衡；而改性土投加量繼續增加到6.50g/L時，Pb2+去除率變化不大。

3.2 不同初始PH的影響

為觀察不同PH對改性土吸附性能的影響并確定吸附最佳pH，調節吸附體系的初始pH分別為2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，重金屬Pb2+溶液的初始濃度為200mg/L，吸附劑投加量為2.00g/L，反應時間為1.5h。初始pH對改性凹凸棒土吸附水中Pb2+去除效果影響見圖2。

圖2 不同初始PH對Pb2+去除率的影響

由圖2可以看出，當初始pH為3～6時，隨著初始pH的升高，改性凹凸棒土對Pb2+的去除率不斷提高，Pb2+去除率由初始pH為2時的1%提高到pH為6時的99%；然而，當pH為7時，Pb2+去除率提高不大；當PH為7～11時，Pb2+去除率均接近100%，即pH在此范圍對改性凹凸棒土吸附效果的影響不大。

pH不僅影響到吸附劑的表面電荷，還會影響吸附劑和金屬離子的存在狀態，從而影響它們之間的相互作用。推測：低pH的條件下，由于溶液中H+濃度較大，占據了吸附劑的位置，與Pb2+形成了競爭吸附，造成改性凹凸棒土對Pb2+的去除效果較差；而隨著pH的逐漸升高，離子交換作用增強，Pb2+離子逐步取代改性凹凸棒土表面的H+離子，Pb2+去除率逐漸增大；當pH過高時，水溶液中氫氧根離子增多，與Pb2+發生沉淀作用，去除率較高。

3.3 改性凹凸棒土和凹凸棒原土對Pb2+的吸附效果的影響

試驗選取25℃，考察改性凹凸棒土和凹凸棒原土對Pb2+吸附效果。其中Pb2+初始濃度為200mg/L，吸附劑用量為2.00g/L，體系pH為7，反應時間為0～12h。

圖3 不同反應時間改性凹凸棒土和凹凸棒原土對Pb2+的吸附

由圖3可知，隨著反應時間的增加反應，改性凹凸棒土和凹凸棒原土對Pb2+的吸附的去除效果顯著增加，總體上說改性土吸附效果明顯強于原土。

3.4 不同改性凹凸棒土投加量對Cd2+和Pb2+競爭吸附的研究

試驗選取50、100、150mg/L 3個混合重金屬離子初始濃度，研究不同濃度條件下合成沸石對Cd2+和Pb2+兩種重金屬離子的競爭吸附。不同初始濃度時改性凹凸棒土對Cd2+和Pb2+競爭吸附的影響如圖1至圖3所示，其中吸附體系反應溫度為25℃，體系初始pH7，振蕩時間為1.5h，吸附劑投加量分別為 0.5、1、2、5、8、12、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80 和 90mg/L。

圖4 初始濃度為50mg/L時,不同吸附劑投加量對Cd2+和Pb2+吸附量的變化

圖5 初始濃度為100mg/L時,不同吸附劑投加量對Cd2+和Pb2+吸附量的變化

圖6 初始濃度為150mg/L時,不同吸附劑投加量對Cd2+和Pb2+吸附量的變化

從圖4至圖6的試驗結果明顯看出，兩種重金屬離子的競爭吸附順序以及吸附量的大小與混合重金屬離子的初始濃度無關。改性凹凸棒土對Cd2+和Pb2+吸附量順序為Cd2+＞Pb2+。當混合重金屬離子初始濃度為50mg/L時，凹凸棒土對Cd2+的去除率達到67.33%～83.13%，而同等條件下的Pb2+去除率則為59.64～62.97%（圖4），可見在混合重金屬溶液中凹凸棒土對Cd2+的吸附相對強于Pb2+，而且從圖4中發現：當凹凸棒土投加量小時，Cd2+和Pb2+的去除率差距較小，隨著吸附劑投加量的增加，兩則吸附能力的差距越來越明顯。

當混合重金屬離子初始濃度為100mg/L時，凹凸棒土對Cd2+的去除率達到53.41%～80.94%，而同等條件下的Pb2+去除率則為44.54～60.58%（圖5），研究發現當重金屬溶液含量增加一倍，凹凸棒土對重金屬的吸附率雖然有所減弱，但是并沒有呈現減半效應。此外表現同樣的吸附規律：在混合重金屬溶液中凹凸棒土對Cd2+的吸附相對強于Pb2+，而且從圖5中發現：當凹凸棒土投加量小時，Cd2+和Pb2+去除率差距較小，隨著吸附劑投加量的增加，兩則吸附能力的差距越來越明顯。

當混合重金屬離子初始濃度為150mg/L時，凹凸棒土對Cd2+的去除率達到47.16%～86.35%，而同等條件下的Pb2+去除率則為48.72～63.31%（圖6），此外表現同樣的吸附規律：在混合重金屬溶液中凹凸棒土對Cd2+的吸附相對強于Pb2+，而且從圖6中發現：當凹凸棒土投加量小時，Cd2+和Pb2+的去除率差距較小，隨著吸附劑投加量的增加，兩則吸附能力的差距越來越明顯。

4 結語

（1）改性凹凸棒土投加量對Pb2+的吸附性能影響顯著，當投加量達到2.5mg/L時，Pb2+的吸附量達到飽和。

（2）不同的pH值對Pb2+的吸附性能影響顯著，當pH達到6～8時，Pb2+的吸附效果最佳，一般pH取7。

（3）對改性凹凸棒土和凹凸棒原土對Pb2+的吸附效果研究發現：改性土吸附效果明顯強于原土。

（4）不同改性凹凸棒土投加量對Cd2+和Pb2+競爭吸附的研究發現：在混合重金屬溶液中凹凸棒土對Cd2+的吸附相對強于Pb2+；當凹凸棒土投加量小時，Cd2+和Pb2+的去除率差距較小，隨著吸附劑投加量的增加，兩者去除率的差距越來越明顯。

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