硅藻土對水體常見重金屬離子的競爭吸附機制研究

鄭植 張子航 劉雄 隋吉堯 李岱霖

1. 研究背景

工、農行業迅猛發展造成的重金屬水體污染問題日益得到廣泛關注。硅藻土作為一種儲備豐富的礦產資源，因開采成本低廉、處理工藝便捷，常用于重金屬污染水體處理。該項技術主要利用土壤顆粒物產生的吸附作用達到重金屬去除目的。當水體中含有多種重金屬離子時，硅藻土對污染物可能產生選擇性競爭吸附。根據吸附方式不同，吸附過程可歸納為三種類型：表面吸附（物理吸附）、離子交換吸附（物理-化學吸附）、專屬吸附（配位吸附）。目前利用硅藻土處置污水主要以提高單位吸附量和吸附效率為目的。夏士朋等提出利用含碳酸鈣的硅藻土處理廢水中Cu2+、Cr3+、Pb2+、Zn2+ 四種重金屬離子的新方法，結果表明，碳酸鈣含量約為35%的硅藻土是處理含重金屬廢水的一種很好的吸附劑[1]。羅道成等對改性硅藻土對廢水中Pb2+、Cu2+、Zn2+吸附性能進行研究，指出改性硅藻土對實際電鍍廢水的吸附凈化效果較好[2]。郭曉芳等通過錳基改性硅藻土，在靜態條件下，研究了錳基改性硅藻土吸附重金屬離子Pb2+、Zn2+的性能及適宜條件[3]。葉力佳等對硅藻土吸附重金屬離子Cu2+進行了研究，結果表明：硅藻土獨特的結構使其對水溶液中的Cu2+具有很好的吸附去除效果[4]。丁社光研究了硅藻土在不同pH值、溫度、吸附時間、鉛離子初始濃度、投加量等條件下對吸附鉛離子的影響[5]。國外的YAl-degs等用非改性硅藻土和MnO2改性土對Pb2+的吸附研究表明：硅藻土和MnO2改性土對去除鉛離子是有效的[6]。

由此可見，已有研究多圍繞吸附影響因素、優化吸附條件展開。針對不同重金屬離子，考察不同吸附類型下的競爭吸附機制，暫未見相關報道。本項目選取常見的污染水體重金屬離子Cd2+、Cu2+、Zn2+為研究對象，探討表面吸附和離子交換吸附條件下的競爭吸附機制。本研究有助于深入了解吸附過程與機制，能夠為污染水體重金屬的選擇性治理和循環利用提供理論參考和線索。

2. 研究內容與方法

2.1 研究內容

本項目選取常見的污水重金屬離子Cd2+、Cu2+、Zn2+為研究對象，分別探討表面吸附和離子交換吸附條件下，三種離子在不同硅藻土投加量、吸附時間下的競爭吸附機制。

本實驗選取的主要儀器和藥品如表1所示：

2.2 研究方法

（1）表面吸附

分取兩種原土過篩，投至Cd2+、Cu2+、Zn2+混合溶液中（各離子溶度均0.2 mmol/L），放置振蕩吸附，對吸附液進行二次抽濾。利用ICP在默認實驗參數下測定抽濾液中各重金屬離子濃度。分別考察硅藻土振蕩吸附時間（5、10、15、20、25 min）和投加量（0.5、1、1.5、2、2.5 g）兩個單因素對去除率的影響。

（2）離子交換吸附

分別配制0.5 mol/L的鎂離子和鋇離子溶液。將原土分別浸泡于兩種離子溶液36小時，達到飽和吸附，離心、烘干。重復（1）中實驗內容，考察離子交換條件下的競爭吸附機制。

3. 結果與討論

（1）表面吸附

硅藻土振蕩吸附時間、投加量的單因素實驗結果如圖1所示。綜合考慮去除率和時間原料成本，原土吸附的適宜時間選取20min，投加量為每50mL模擬廢水投加2g。

（2）離子交換吸附

將原土分別浸泡于鎂離子和鋇離子至吸附飽和，再與重金屬離子進行交換吸附，結果如圖2所示。鎂離子與鋇離子飽和土對三種重金屬的競爭吸附順序相同，去除率相近，并未表現出顯著差異;但與原土相比，Cd2+與Zn2+優先吸附順序發生了改變。

4. 結論

硅藻土原土對Cd2+、Cu2+、Zn2+三種重金屬離子吸附的適宜時間為20min，投加量為每50mL模擬廢水投加2g，競爭吸附順序Cu2+ > Cd2+ > Zn2+。鎂離子與鋇離子飽和硅藻土與原土相比，Cd2+與Zn2+優先吸附順序發生了改變，即離子交換吸附可能改變競爭吸附機制。

參考文獻：

[1]夏士朋， 石誠. 改性硅藻土處理廢水中重金屬離子[J]. 河南化工， 2002（5）， 24-25.

[2]羅道成， 劉俊峰. 改性硅藻土對廢水中Pb2+， Cu2+， Zn2+吸附性能的研究[J]. 中國礦業， 2005， 14（7）， 69-71.

[3]郭曉芳， 劉云國， 樊霆等. 改性新型Mn-硅藻土吸附電鍍廢水中鉛鋅的研究[J]. 非金屬礦， 2006 （11）， 42-45.

[4]葉力佳，杜玉成. 硅藻土對重金屬離子Cu2+的吸附性能研究[J]. 礦冶， 2005， 14（3）， 69-71.

[5]丁社光. 硅藻土對鉛離子的靜態吸附實驗研究[J]. 重慶工商大學學報，2007，24 （1）， 51-55.

[6]YAI-degs， M.A.M.Khraishen， M.F.Tutunji. Sorption of lead ions on diatomite and manganese oxides modified diatomite[J]. Wat.Res.， 2000， 35（15）， 3724 -3728.

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