天然礦物對重金屬Pb2+的吸附性能研究

程婷 陳晨 張曉 劉海霞 呂瑞陽

摘要：利用天然礦物吸附重金屬Pb2+，研究吸附劑量、pH、反應時間對吸附效果的影響，對其吸附過程進行吸附等溫線和吸附動力學擬合。結果表明，隨著吸附劑量的不斷提高，初始濃度為50 mg/L與100 mg/L的重金屬Pb2+的吸附去除率均不斷提高，而其飽和吸附量逐漸下降，天然礦物對重金屬Pb2+的最大飽和吸附量為87.67 mg/g。酸性條件下天然礦物對重金屬Pb2+的吸附效果較低，而偏酸性環境吸附處理效果較好。天然礦物對Pb2+的吸附去除率隨反應時間的增加而不斷增加。天然礦物對Pb2+的吸附過程符合Freundlich吸附等溫模型，且Pb2+的吸附過程擬合結果更加符合準二級動力學模型。

關鍵詞：重金屬Pb2+;天然礦物;吸附性能

中圖分類號：X52? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）17-0056-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.17.014? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： The experiment was conducted to examine the adsorption of Pb2+ on the natural mineral. The adsorbent dosage， pH and the reaction time was investigated， and the adsorption isotherm and kinetics equation in the adsorption process was discussed. The results showed that， with the increasing of the adsorbent dosage， the removal rate of Pb2+ on the natural mineral was improved at the concentration of 50 mg/L and 100 mg/L gradually， while the saturated adsorption capacity was decreased. The maximum saturated adsorption capacity of natural minerals for heavy metal Pb2+ was 87.67 mg/g. The adsorption of heavy metals Pb2+ by natural minerals at acidic condition was relatively lower， while the adsorption treatment effect of slightly acidic environment was better. The removal rate of Pb2+ increased gradually with the increased of reaction time. The adsorption process of Pb2+ accorded with Freundlich adsorption isotherm. Furthermore， the reaction of adsorption on natural mineral to Pb2+ matched to the pseudo-second class reaction kinetics model.

Key words： heavy metal Pb2+; natural mineral; adsorption property

近年來，隨著化工、冶金、電子電鍍等行業的發展，越來越多的重金屬廢水被排放到環境中，其在自然環境和人體中累積、轉化，對生態環境與人體健康造成了嚴重威脅。重金屬污染及其相應的重金屬廢水的污染處理問題一直是國內外學者關注的熱點之一[1-3]。鉛是一種常見的有毒金屬，鉛污染主要來自鉛和鋅礦的開采、含鉛汽油的煉制及使用電纜、電池、涂料、電鍍礦企業的生產廢水。在重金屬污染的處理技術中，吸附是一種較為常見且有效的處理方法，其對重金屬的去除取得了較好的效果[4-6]。本研究利用天然礦物對重金屬Pb2+進行吸附，考察了不同影響因素條件下天然礦物對重金屬Pb2+的吸附效果，并對其吸附等溫線與吸附動力學進行了探討。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

天然礦物主要化學組成（氧化物形式）為SiO2（65.82%）、Al2O3（13.39%）、K2O（2.21%）、CaO（1.72%）、Fe2O3（1.65%）、MgO（1.16%）。

試驗所用主要儀器有氣浴恒溫搖床（THZ-92B）、pH酸度計（PHS-3C）、原子吸收光譜儀（AA240DUO）等。

1.2? 試驗方法

1.2.1? 試驗步驟? 在10 mL干燥的具塞聚丙烯管中加入一定量的天然礦物，移取一定濃度的重金屬Pb2+溶液，用稀HCl和NaOH溶液調節吸附體系的初始pH，置于氣浴恒溫搖床中設定一定的反應溫度，以150 r/min振蕩進行吸附反應。吸附反應完成后取混合液過濾（0.45 μm水系濾膜），在原子吸收光譜儀上測定吸附后殘余的重金屬Pb2+濃度。

1.2.2? 分析方法? 原子吸收光譜儀分析吸附后溶液中的重金屬Pb2+濃度。吸附容量的計算公式：

式中，Qe為吸附容量（mg/g），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）。

2? 結果與分析

2.1? 吸附劑量對Pb2+去除率與飽和吸附量的影響

不同初始濃度時吸附劑量對天然礦物吸附重金屬Pb2+的去除率和飽和吸附量的影響如圖1與圖2所示，Pb2+的初始濃度分別為50 mg/L與100 mg/L，吸附劑量為0.5～12.0 g/L，吸附反應時間為12 h，反應溫度35 ℃，吸附體系的初始pH為6。由圖1與圖2可知，隨著吸附劑量的增加，天然礦物對Pb2+的吸附去除率不斷提高，而其飽和吸附量逐漸降低。

當重金屬Pb2+的初始濃度為50 mg/L、吸附劑量為0.5 g/L時，天然礦物對Pb2+的吸附去除率僅為77.15%，其飽和吸附量高達77.15 mg/g;吸附劑量提高到2.0 g/L時，Pb2+的吸附去除率提高到94.85%，相應的飽和吸附量降低為23.71 mg/g;吸附劑量進一步提高到3.0 g/L時，重金屬Pb2+的吸附去除率高達98.33%，其對應的飽和吸附量降為16.39 mg/g;之后繼續提高吸附劑量，污染物的去除率趨于飽和，飽和吸附量繼續下降。

當重金屬Pb2+的初始濃度為100 mg/L、吸附劑量為0.5 g/L時，天然礦物對Pb2+的吸附去除率僅為43.83%，其飽和吸附量高達87.67 mg/g;吸附劑量提高到2.0 g/L時，Pb2+的吸附去除率提高到79.17%，相應的飽和吸附量降低為39.58 mg/g;吸附劑量進一步提高到4.0 g/L時，Pb2+的吸附去除率提高到94.63%，相應的飽和吸附量降低為23.66 mg/g;之后繼續提高吸附劑量，天然礦物對重金屬Pb2+的吸附趨于飽和。隨著溶液中吸附劑量的不斷增加，其與水體中污染物的接觸面積不斷增加，降低了吸附劑的利用率，這與相關研究得到的結論相似[7]。

2.2? 初始pH對Pb2+去除率與飽和吸附量的影響

初始pH對天然礦物吸附重金屬Pb2+的去除率影響如圖3所示，Pb2+的初始濃度為100 mg/L，反應溫度為35 ℃，吸附劑投加量為4.0 g/L，pH為2～9。由圖3可知，pH對天然礦物吸附Pb2+的去除效果影響較大，隨著初始pH的不斷提高，天然礦物對重金屬Pb2+的吸附去除率不斷增加。初始pH為酸性環境時，天然礦物對重金屬Pb2+的去除效果較差。當初始pH為2時，Pb2+的吸附去除率僅為23.08%;初始pH為3時，Pb2+的吸附去除率為47.69%;當初始pH升高到4時，Pb2+的吸附去除率提高到64.62%;初始pH提高到弱酸性環境時，天然礦物對重金屬Pb2+的吸附去除率快速提高，初始pH為5和6時，Pb2+的吸附去除率分別提高到81.73%和94.54%;而當初始pH提高到中性和偏堿性環境時，天然礦物對重金屬Pb2+的吸附去除率幾乎為100%。推測本試驗中酸性環境下溶液中H+占據了天然礦物吸附劑的位置，而pH過高時，OH-離子極易與水體中的重金屬離子發生沉淀，故后續吸附試驗采用pH為偏酸性環境。

2.3? 反應時間對Pb2+去除率與飽和吸附量的影響

反應時間是影響吸附反應效果與吸附特性的一個重要因素。考察了不同吸附反應時間對天然礦物吸附Pb2+的效果影響，結果如圖4所示，其中反應溫度為35 ℃，吸附劑量為4.0 g/L，Pb2+的初始濃度為100 mg/L，初始pH為6。由圖4可知，天然礦物對Pb2+的吸附去除率隨著反應時間的增加而不斷提高。反應時間為15 min時，天然礦物對重金屬Pb2+的吸附去除率為45.56%;反應時間提高到1 h時，Pb2+的吸附去除率提高到了70.34%;反應時間進一步提高為2 h時Pb2+的吸附去除率進一步提高到81.39%;反應時間提高到4 h時天然礦物對重金屬Pb2+的吸附去除率進一步增加到96.20%。

2.4? 吸附等溫線

對于單一組分溶質，常見的吸附等溫線為Langmuir等溫吸附模型與Freundlich等溫吸附模型[8，9]。根據圖1與圖2（不同初始濃度時吸附劑量對Pb2+去除率與飽和吸附量的影響）的試驗結果，利用Langmuir吸附等溫式和Freundlich吸附等溫式對天然礦物吸附Pb2+的試驗數據進行擬合， 其結果如圖5—圖8以及表1所示。結果表明，與Langmuir吸附等溫式的擬合結果相比，天然礦物對Pb2+的吸附過程更加符合Freundlich吸附等溫模型，其相關程度更好。

2.5? 吸附動力學

對于一般的固液吸附過程而言，通常采用準一級和準二級動力學方程來進行動力學擬合[8，9]。利用準一級動力學方程與準二級動力學方程對天然礦物吸附Pb2+的過程進行擬合，其結果如圖9、圖10與表2所示。結果顯示，準一級動力學方程對天然礦物吸附重金屬Pb2+的擬合R2為0.987 3，Qe，cal為17.96 mg/g，而準二級動力學方程對天然礦物吸附重金屬Pb2+的過程擬合R2為0.998 8，其Qe，cal為26.81 mg/g，更加接近試驗值25.0 mg/g。因此，Pb2+在天然礦物上的吸附過程更加符合準二級動力學模型。

3? 結論

吸附劑量、pH、反應時間均對天然礦物吸附重金屬Pb2+的去除率影響較大。Pb2+初始濃度為50 mg/L與100 mg/L時，隨著天然礦物投加量的不斷提高，重金屬Pb2+的吸附去除率不斷提高，而飽和吸附量逐漸下降。初始濃度為100 mg/L時，天然礦物對重金屬Pb2+的最大飽和吸附量為87.67 mg/g。酸性條件下天然礦物對重金屬Pb2+的吸附效果較差，而偏酸性環境吸附效果較好。初始pH為6時，重金屬Pb2+的吸附去除率高達94.54%。天然礦物對Pb2+的吸附去除率隨著反應時間的增加而不斷提高。與Langmuir吸附等溫模型的擬合結果相比，天然礦物對Pb2+的吸附過程更符合Freundlich吸附等溫模型。此外，Pb2+在天然礦物上吸附過程擬合結果更加符合準二級動力學模型。

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收稿日期：2019-01-14

基金項目：2016江蘇高校“青藍工程”中青年學術帶頭人培養對象項目;國家自然科學基金項目（21407068）;江蘇省科技計劃項目（江蘇省