硅膠吸附劑對廢水中Pb2+、Cd2+的吸附性能試驗研究

向求來，李 郁，劉 碩

（湖南有色金屬研究院有限責任公司，湖南 長沙 410100）

環境中的重金屬污染會直接危害人體健康，并導致環境質量惡化，已經引起世界各國的高度重視。近年來，研究人員研究了各種吸附劑對廢水中重金屬離子的吸附分離，因此吸附分離技術有了很大的發展，并且在處理重金屬廢水中得到了廣泛的實踐應用。吸附原理為利用多孔性固體吸附劑與吸附質直接發生吸附作用力，從而實現吸附、分離重金屬離子的目的。根據吸附作用力性質的不同，可將吸附分為三類：物理吸附，由分子間作用力而產生吸附分離；化學吸附，由化學鍵力引起吸附分離；交換吸附，溶質的離子由于靜電引力而匯聚在吸附劑表面的帶電點上并置換出原來固定在這些帶電點上的其他離子[1]。常用的吸附劑有腐植酸類吸附劑、碳類吸附劑、礦物吸附劑、高分子吸附劑、生物材料吸附劑等[2]。

礦物吸附法作為含重金屬的廢水處理技術，具有材料來源廣、操作簡單、去除效率高而被廣泛應用。Leppert研究證實斜發沸石對Pb2+有很強的親和力，吸附能力為55.4 mg/g[3]；陳錫珉等[4]應用改良斜發沸石去除鍍鋅鈍化廢水效果很好；邵紅等[5]以鈉基膨潤土為原料制備鐵硅交聯膨潤土，對模擬廢水中的Cr6+去除率達87.55%。硅膠屬于礦物吸附劑，本試驗探索利用硅膠吸附劑吸附廢水中的Pb2+、Cd2+，通過試驗對不同型號的硅膠吸附劑進行篩選，并進一步試驗得到硅膠吸附劑對Pb2+、Cd2+的最佳吸附條件及飽和吸附量，也為含重金屬廢水的處理提供了參考。

1 試驗部分

1.1 試驗原料、試劑、設備及吸附劑材料

試驗廢水：A為含重金屬廢水，Pb2+濃度為10.4 mg/L、Cd2+濃度為3.1 mg/L，pH值為6～7；B為冶煉廠廢水，Pb2+濃度為10.4 mg/ L、Cd2+濃度為121 mg/L，pH值為2；C為含重金屬廢水，Pb2+濃度為0.6 mg/L、Cd2+濃度為2.86 mg/L，pH值為6.7。

試劑：鹽酸（HCl）、氫氧化鈉（NaOH），均為分析純；去離子水。

設備：HM202電子分析天平、ZR4-6混凝試驗攪拌機、pH211A型精密酸度計、pH S-3C型pH計、Varian715-ES電感耦合等離子體光譜發生儀等。

吸附劑材料：PQ-R型硅膠、PQ-P型硅膠、PQ-D型硅膠，比表面積依次為：PQ-R型硅膠＜PQ-P型硅膠＜PQ-D型硅膠。

1.2 實驗方法

每個試驗對象取500 mL廢水，稱取一定量的硅膠吸附劑，加入到試驗對象廢水中，置于混凝試驗攪拌機上攪拌60 min，反應結束后靜置20 min，采用中速定量分析過濾紙過濾，取濾液的上清液測定其中Pb2+、Cd2+濃度。去除率計算公式如下：

式中：η為吸附去除率，%；C0和C分別為吸附前后溶液中Pb2+、Cd2+濃度，mg/L。

平衡吸附量計算公式如下：

式中：qe為平衡吸附量，mg/g；Co和Ce分別為吸附前后溶液中Pb2+、Cd2+的濃度，mg/L；W為吸附劑量，g。

試驗組合：①分別取三種吸附劑各25 g，分別對三個500 mL的A含重金屬廢水進行吸附，考察吸附效果；②取非過量的效果最好的吸附劑對調整成不同pH值的B冶煉廠廢水進行吸附，考察最佳pH值條件；③取效果最好的吸附劑，依次取用量為0.02 g/ L、0.05 g/L、0.2 g/L、1 g/L、5 g/L、15 g/L、25 g/L，試驗考察飽和吸附量。

2 硅膠吸附劑對Pb2+、Cd2+的吸附過程

2.1 吸附劑的選擇

在試驗組合①的條件下，PQ-R型、PQ-P型、PQ-D型吸附劑分別對A含重金屬廢水的吸附效果詳見表1。

表1 三種吸附劑分別對A含重金屬廢水的吸附效果

由表1可知，PQ-R型硅膠對廢水中Pb2+、Cd2+吸附效果最差，幾乎無吸附效果；PQ-P型硅膠對廢水中Pb2+吸附效果較好，但對Cd2+幾乎無吸附效果；PQ-D型硅膠對廢水中Pb2+、Cd2+吸附效果最好，吸附去除率達到99.7%以上，吸附處理后的廢水中Pb2+、Cd2+均達到《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996）一級排放標準。

三種吸附材料中，PQ-D型比表面積最大，PQ-P型次之，PQ-R型最小，故比表面積越大的硅膠吸附劑對Pb2+、Cd2+的吸附性能越好。

接下來的試驗采用PQ-D型硅膠吸附劑，考察pH值最佳吸附條件及飽和吸附量。

2.2 溶液pH值對吸附效果的影響

在室溫25℃、試驗組合②的條件下，考察溶液pH值對吸附廢水中Pb2+、Cd2+的影響。試驗結果見圖1。

圖1 pH值對硅膠吸附Pb2+、Cd2+的影響

溶液的pH值是影響吸附效果的重要因素，在pH值＜6的條件下Pb2+、Cd2+的去除率較小；當pH值大于7時，吸附率又降低；當pH值為6～7時，硅膠吸附劑對Pb2+、Cd2+的去除率最大，吸附效果最好。

2.3 飽和吸附量

在試驗組合③的條件下，調整C廢水的pH值為6.5，考察PQ-D型硅膠對廢水中Pb2+、Cd2+的飽和吸附量。吸附劑的不同用量對C廢水中重金屬Pb2+、Cd2+的吸附效果詳見表2。

表2 吸附劑的不同用量對C廢水中重金屬Pb2+、Cd2+的吸附效果

PQ-D型硅膠對廢水中Pb2+、Cd2+的最大吸附限值濃度分別為0.02 mg/L、0.007 mg/L，可達到《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996）一級排放標準。在pH值為6.5的最佳吸附條件下，PQ-D型硅膠對廢水中Pb2+、Cd2+的飽和吸附量分別約為10.5 mg/g、16.5 mg/g。

3 結論

通過實驗研究了硅膠吸附劑對廢水中Pb2+、Cd2+的吸附性能，探討了硅膠材料的比表面積、pH值、吸附劑用量等對吸附效果的影響，得出以下結論：

（1）影響吸附效果的因素有吸附材料的比表面積、溶液初始pH值、吸附劑用量等。比表面積越大的硅膠吸附劑對Pb2+、Cd2+的吸附效果越好。PQ D型硅膠吸附性能明顯優于PQ R型和PQ P型。

（2）pH值是影響吸附的重要因素，在pH＜6的條件下，Pb2+、Cd2+的去除率較小；pH值＞7時，吸附率降低；當pH值為6～7時，硅膠吸附劑對Pb2+、Cd2+的去除效果最好。

（3）當pH值為6.5、吸附時間60 min、靜止時間20 min、吸附劑用量足夠時，PQ-D型硅膠對Pb2+、Cd2+的吸附去除率達到99.7%以上，吸附處理后的廢水中Pb2+、Cd2+均達到《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996）一級排放標準。PQ D型吸附劑對廢水中Pb2+、Cd2+的最大吸附限值濃度分別為 0.02 mg/L、0.007 mg/ L，對Pb2+、Cd2+的飽和吸附量分別約為10.5 mg/g、16.5 mg/g。