酸改性高嶺土處理含鋅廢水的研究

劉雅靜，盛 珊

（1.呼倫貝爾職業技術學院，內蒙古 呼倫貝爾021000；2.呼倫貝爾市環境監測中心站，內蒙古 呼倫貝爾021008）

0 前言

高嶺土是一種重要的工業礦物原料，被廣泛應用于橡膠、醫藥化工等行業。高嶺土的表面含有-Si（Al）-OH、-Si-O-Al-及-Si（Al）-O 等官能團，這使得高嶺土的改性成為可能。通過改性可以改善高嶺土內部孔道結構及比表面積，進而提高高嶺土的吸附性能[1-2]。目前常見的高嶺土改性方法有熱改性法、酸堿改性法及金屬改性法等。本文采用酸處理的方式對高嶺土進行改性，并研究其對廢水中Zn2+的吸附性能。

1 實驗

1.1 實驗材料

以蒸餾水為溶劑配制Zn2+的質量濃度為35 mg/L的溶液，將其作為模擬含鋅廢水。

1.2 實驗儀器

79-1型磁力攪拌器，LXJ-II型離心機，DHG-9055型電熱恒溫鼓風干燥箱，UV-4802型紫外可見分光光度計，pHS-3C型酸度計。

1.3 改性高嶺土的制備

（1）取40 g高嶺土（工業級）置于圓底燒瓶內，向其中加入一定量體積分數為15%的鹽酸溶液，并將其在90℃恒溫水浴中攪拌8 h；（2）冷卻后用蒸餾水離心洗滌至無Cl-存在（用Ag NO3溶液進行檢測）；（3）將得到的固體于120℃下過夜干燥；（4）將得到的固體研磨、過篩，即得到酸改性高嶺土。

1.4 吸附實驗

（1）取100 mL模擬含鋅廢水于錐形瓶中并調節pH值；（2）稱取0.1 g改性高嶺土置于錐形瓶中，并將其在磁力攪拌器上攪拌反應一段時間；（3）在攪拌反應期間間隔取樣，測定Zn2+的質量濃度，并計算Zn2+的去除率。

2 結果與討論

2.1 反應時間對吸附過程的影響

在pH值為6、反應溫度為35℃的條件下，研究反應時間對Zn2+去除率的影響，結果如圖1所示。由圖1可知：與未改性高嶺土相比，酸改性高嶺土對Zn2+的去除效果更加顯著。這可能是因為酸改性使得高嶺土的孔結構及比表面積等參數發生變化，吸附活性位點增多，進而提高了Zn2+的去除率[3]。另外，吸附過程在前10 min進行得很快，10 min后Zn2+的去除率變化不明顯。由于酸改性高嶺土對Zn2+的吸附效果較好，所以對酸改性高嶺土的吸附過程做了進一步的研究，并且反應時間均取20 min。

圖1 反應時間對Zn2+去除率的影響

2.2 pH值對吸附過程的影響

Zn在水中的存在形式主要為Zn2+、Zn（OH）+及Zn（OH）2。當pH值為5左右時，Zn的主要存在形式為Zn2+。當pH值為10左右時，Zn（OH）2溶解度較低，此時Zn主要以Zn（OH）2的形式存在[4]。為了避免沉淀作用對吸附過程的影響，在反應溫度35℃、反應時間20 min的條件下，研究了pH值對Zn2+去除率的影響，結果如圖2所示。由圖2可知：pH值對Zn2+的去除率影響顯著。當pH值大于3時，Zn2+開始顯著增加。這可能與高嶺土的零電荷點有關[5]。當pH值介于6～8時，Zn2+的去除效果較好。

圖2 pH值對Zn2+去除率的影響

2.3 吸附等溫線研究

吸附過程的等溫線常采用Langmuir和Freundlich兩種模型進行描述。

Langmuir方程：

式中：Ce為平衡質量濃度，mg/L；qe為平衡吸附量，mg/g；KL為與自由吸附能有關的常數；C0為溶液的初始質量濃度，mg/L；Kf為Freundlich系數；n為Freundlich常數。

表1為不同吸附劑吸附Zn2+的相關參數。從R2數據可以看出，Langmuir吸附等溫方程和Freundlich吸附等溫方程均適合用于描述未改性高嶺土和酸改性高嶺土吸附Zn2+的過程。酸改性高嶺土吸附Zn2+的Kf值大于未改性高嶺土的Kf值，表明酸改性高嶺土對Zn2+的吸附能力更強。通過Langmuir方程計算得到未改性高嶺土的RL變化范圍為0.1034～0.2023，酸改性高嶺土的RL變化范圍為0.0160～0.0421。RL值進一步表明酸改性更有利于對Zn2+的吸附[6]。

表1 不同吸附劑吸附Zn2+的等溫線參數

2.4 酸改性高嶺土吸附Zn2+的熱力學研究

在反應時間為20 min、pH值為6的條件下，研究了反應溫度對吸附過程的影響，并采用以下方程計算了熱力學參數吉布斯自由能（ΔG0）、焓變（ΔH0）和熵變（ΔS0）。

式中：qe為平衡吸附量，mg/g；Ce為平衡質量濃度，mg/L；T為熱力學溫度，K。

圖3為反應溫度對Zn2+去除率的影響。由圖3可知：隨著反應溫度的升高，Zn2+的去除率逐漸降低。這表明該吸附過程是一個放熱過程，溫度的升高不利于吸附過程的進行。

圖3 反應溫度對Zn2+去除率的影響

圖4是以1g（qe/Ce）為縱坐標、1/T為橫坐標擬合得到的直線圖。通過直線的斜率和截距分別計算了反應的焓變和熵變，進而得到吉布斯自由能，結果如表2所示。由表2可知：ΔH0和ΔG0均為負值，說明吸附過程是自發的放熱過程[7-8]。

圖4 吸附反應熱力學擬合圖

表2 不同反應溫度下吸附Zn2+的熱力學參數

3 結語

制備了酸改性高嶺土吸附劑，并對比了酸改性高嶺土與未改性高嶺土對模擬含鋅廢水的處理效果。結果表明：高嶺土經酸改性后對Zn2+的吸附能力顯著提高。當反應時間為20 min、廢水pH值為6～8、反應溫度為35℃時，Zn2+的去除率可以達到93%以上。Langmuir吸附等溫方程和Freundlich吸附等溫方程均能很好地描述未改性高嶺土及酸改性高嶺土吸附Zn2+的過程。酸改性高嶺土吸附Zn2+的過程是一個自發的放熱過程。