改性蛇紋石對Pb2+的吸附機理及吸附條件優化

徐鵬超，可傳豪，吳巖，劉智，杜立宇*，楊玉紅

（1.沈陽農業大學土地與環境學院，沈陽 110866；2.沈陽環境科學研究院，沈陽 110016；3.沈陽農業大學生物技術學院，沈陽 110866）

目前重金屬污染已經成為全球化環境問題，對人類健康和生態系統構成了巨大威脅。鉛作為有害重金屬之一，可通過呼吸道、消化道和食物鏈進入人體，對人體的肝臟、腎臟、生殖系統以及中樞神經系統造成嚴重損害，因此解決水體鉛污染問題迫在眉睫。

在去除水體Pb的方法中，吸附法因其操作簡單、設計靈活、金屬回收潛力大等特點受到了廣泛關注，因此尋找高性能、低成本的吸附材料具有重要意義。硅酸鹽礦物的比表面積大、成本低、儲量豐富，已廣泛應用于水體和土壤的重金屬污染治理。然而天然硅酸鹽礦物對重金屬的吸附能力低且吸附穩定性和選擇性差，近年來一些研究表明改性后的硅酸鹽礦物能夠有效地提高其吸附性能。蛇紋石是一種層狀的硅酸鹽礦物，其理想分子式為Mg（SiO）（OH）。蛇紋石的晶體結構為三八面體型與高嶺土1∶1型的結構層相似，由一個氫氧化鎂八面體層和一個硅氧四面體層構成，晶體中少量Mg可被Fe、Cr、Mn、Ni等金屬離子取代。蛇紋石的斷裂面上還存在不飽和的Si—O Si、O—Si—O鍵和鎂鍵，使蛇紋石具有很高的化學活性。此外，蛇紋石儲量豐富，具有較高的比表面積，是一種較好的處理水體和土壤中重金屬污染的潛在吸附材料。有研究表明700℃加熱處理下的熱活化蛇紋石對水體和土壤中重金屬表現出了較好的吸附性能。然而，關于重金屬鉛在高溫改性蛇紋石上的吸附機理特性和吸附條件優化的研究較少。因此本實驗對天然蛇紋石進行高溫改性，結合動力學、熱力學及材料表征研究了改性蛇紋石對Pb的吸附機理；探究了不同條件下改性蛇紋石對Pb吸附特性的影響，采用響應面法對蛇紋石吸附Pb的條件進行優化，得出最佳吸附條件，以期為高效吸附重金屬鉛、優化吸附重金屬鉛工藝提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

高溫改性蛇紋石：蛇紋石采自鞍山市岫巖。將塊狀的蛇紋石打碎、研磨過篩，過篩后的蛇紋石粉末放入自封袋中存儲，再將其放于干燥器中。把制備的天然蛇紋石粉末置于坩堝中，再將其放入馬弗爐內調至700℃進行高溫改性，在此溫度下持續煅燒3 h，改性完成后放入自封袋備用。

模擬廢水的制備：使用Pb（NO）溶液配制濃度為1 000 mg·L的含鉛廢水母液，其他所需溶液按照濃度梯度依次稀釋。

1.2 天然及改性蛇紋石的表征

采用超高分辨場發射掃描電子顯微鏡（Regulus 8100，Hitachi日立，日本）對天然及改性蛇紋石吸附Pb前后的形貌進行表征及組成元素測定；采用傅里葉紅外光譜儀（PE FT-IR Frontier，Thermo Fisher Scientific，美國）對天然及改性蛇紋石吸附前后的官能團和化學鍵組成進行分析；采用X射線衍射儀（PXRD，D8 Advance，德國）對天然及改性蛇紋石吸附前后的晶體結構進行表征，其中管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描范圍為10°～80°，掃描步長為0.1°；采用X射線光電子能譜（Thermo SCIENTIFIC ESCALAB 250Xi，Thermo Fisher Scientific，美國）對蛇紋石吸附鉛元素的價態進行分析；結合各表征結果分析蛇紋石吸附去除Pb的機理。

1.3 實驗方法

1.3.1 吸附動力學實驗

分別稱取0.1 g天然和改性的蛇紋石粉末于50 mL的離心管中，向離心管內分別加入25 mL初始pH為5，濃度依次為50、100、200 mg·L的Pb溶液，在25℃下分別振蕩10、20、30、40、60、90、120、240、360、480、600、840、1 080、1 440、1 800、2 160 min。振蕩后離心并過濾上清液。

1.3.2等溫吸附實驗

分別稱取0.1 g天然和改性的蛇紋石粉末于50 mL的離心管中，向離心管內分別加入25 mL初始pH為5、濃度依次為25、50、100、200、400、500、600 mg·L的Pb溶液，分別在溫度為25、35、45℃下振蕩24 h后離心并過濾上清液。

1.3.3 吸附條件優化實驗

稱取一定質量的改性蛇紋石粉末于50 mL的離心管中，向離心管內加入25 mL 100 mg·L的Pb溶液，用NaOH和HNO溶液調節溶液的初始pH，振蕩離心并過濾上清液。pH設置3、4、5、6；固液比（∶）設置1∶50、1∶100、1∶150、1∶200、1∶250、1∶300、1∶400、1∶500，即蛇紋石投加量分別為0.5、0.25、0.17、0.125、0.1、0.083 3、0.062 5、0.05 g；粒徑設置40、60、80、100、150目；時間設置10、30、60、120、360、600、1 080、1 440、1 800、2 160 min。

1.3.4 解吸實驗

將吸附實驗后的改性蛇紋石用超純水沖洗3遍后反復離心過濾，剩余固體置于50 mL離心管中，加入25 mL 0.1 mol·L的NaNO溶液，用NaOH和HNO溶液調節溶液的初始pH，振蕩離心并過濾上清液。pH設置2、3、4、5；時間設置1、2、4、8、16、24 h。

1.3.5 Box-Benhnken中心組合試驗設計

采用響應面實驗設計BBD方案，選取液固比（A）、溶液的初始pH（B）、吸附時間（C）、粒徑（D）4個因素，以改性蛇紋石對Pb的吸附量和去除率為響應值設計四因素三水平的實驗方案。各因素的3個水平采用-1、0、1進行編碼，如表1所示。

表1 實驗因素水平及編碼Table 1 Level and coding of test factors

2 結果與討論

2.1 吸附動力學模型

不同濃度下天然及改性蛇紋石吸附Pb的動力學模型擬合結果見圖1，各模型參數值見表2。由圖1可知高溫改性蛇紋石的吸附速率明顯高于天然蛇紋石，更先達到吸附平衡狀態，且吸附量有較大提升。由表2可知準二級動力學模型擬合參數（）均大于0.95，可以很好地擬合實驗結果。初始Pb濃度為50、100、200 mg·L時，該模型擬合的天然及改性蛇紋石的平衡吸附容量（）理論值分別為9.11、13.86、14.09 mg·g和9.84、19.02、23.31 mg·g，與試驗值（9.09、14.11、14.54 mg·g和9.75、19.56、23.99 mg·g）接近，表明Pb的吸附過程更適合用準二級動力學模型描述，改性蛇紋石較天然蛇紋石對Pb有更大的吸附能力，Pb在蛇紋石上的吸附過程主要受化學作用控制。通過對顆粒內擴散模型分段線性擬合可知，天然蛇紋石對Pb的吸附大致分為兩個階段，改性蛇紋石分為三個階段。直線均不經過原點，說明蛇紋石對Pb的吸附不只受顆粒內擴散的限制。在第一階段過程中吸附速率（）更大，說明吸附過程主要依靠蛇紋石表面的吸附點位，可能與Pb形成配位反應或離子絡合作用，高溫改性增加了蛇紋石表面的吸附點位及部分晶層間隙的點位，增大了蛇紋石對Pb的吸附能力。

表2 天然及改性蛇紋石吸附Pb2+的吸附動力學模型參數Table 2 Parameters of adsorption kinetics to adsorb Pb2+by natural and modified serpentine

圖1 天然及改性蛇紋石吸附Pb2+的吸附動力學模型Figure 1 Adsorption kinetic model of Pb2+on natural and modified serpentine

2.2 等溫吸附模型和吸附熱力學模型

不同溫度下天然及改性蛇紋石吸附Pb的等溫吸附模型擬合結果見圖2，各模型參數值見表3。由圖2可知，隨著溫度的升高，蛇紋石對Pb的吸附量有明顯提升，且改性蛇紋石對于Pb的吸附量高于天然蛇紋石，說明高溫改性能有效地提升蛇紋石對Pb的吸附性能。由表3可知，濕度為25、35、45℃時，Pb在天然及改性蛇紋石上吸附的Freundlich模型的擬合參數（）分別為0.964、0.966、0.950和0.976、0.986、0.975，均大于Langmuir吸附等溫模型，表明此吸附過程更適合用Freundlich等溫吸附模型描述。因此Pb在天然和改性蛇紋石上的吸附可能是表面非均勻的吸附。Freundlich等溫吸附模型中參數1/值均較小，說明不同蛇紋石對Pb都是易于吸附的。在25、35、45℃下，Pb在改性蛇紋石上的最大吸附容量（）均高于天然蛇紋石。

表3 天然及改性蛇紋石吸附Pb2+的吸附等溫模型參數Table 3 Parameters of isotherms model to adsorb Pb2+by natural and modified serpentine

圖2 天然及改性蛇紋石吸附Pb2+的吸附等溫模型Figure 2 Adsorption isotherm model of Pb2+adsorption on natural and modified serpentine

對吸附過程進行熱力學分析發現，25、35、45℃下天然及改性蛇紋石吸附Pb過程中吉布斯自由能（Δ）分別為-2.89、-3.48、-4.08 kJ·mol和-3.62、-4.37、-5.12 kJ·mol，均小于0，隨著溫度升高Δ的絕對值增加，標準摩爾反應焓（Δ）分別為14.75、18.71 kJ·mol，標準摩爾反應熵（Δ）分別為59.18、74.88 J·（K·mol）。說明兩種吸附過程都是自發吸熱進行的，升高溫度能夠提高吸附的自發性促進蛇紋石對Pb的吸附，吸附過程中固液界面是無序的且混亂度較大，Pb吸附到材料上的隨機性增加。

2.3 表征及吸附機理

2.3.1 SEM-EDS分析

圖3為天然蛇紋石及改性蛇紋石吸附Pb前后SEM掃描形貌圖（5.0 kV，10 000倍）。由圖3可知天然蛇紋石為不規則的鱗片狀變晶結構，晶體類型為反映雙面晶，空間群為Cs-Cm，斷口為貝殼狀，表面比較平整，邊緣規則，各鱗片結構相互堆疊；改性后蛇紋石的片狀結構變得更加散亂，層與層之間的間隙變大，部分片狀結構發生崩塌，碎裂成更多不規則的小塊，吸附前后的形態結構未發生較大改變。

圖3 天然及改性蛇紋石SEM形貌掃描圖Figure 3 SEM topography scan of natural and modified serpentine

圖4為天然蛇紋石與改性蛇紋石吸附前及吸附后的EDS掃描圖，表4為EDS分析中蛇紋石吸附Pb前后各元素質量百分比。天然蛇紋石大部分由氧硅鎂元素組成，高溫改性后氧元素含量降低，蛇紋石發生脫氧過程。天然蛇紋石吸附Pb后，Pb質量分數為0.27%，改性蛇紋石吸附Pb后其質量分數為1.89%，改性后蛇紋石吸附Pb含量較天然蛇紋石提高了600%，說明高溫改性有效地提高了Pb吸附效果。

表4 蛇紋石吸附Pb2+前后各元素質量百分比（%）Table 4 Mass percentage of each element before and after the serpentine adsorbed Pb2+（%）

圖4 天然及改性蛇紋石吸附Pb2+前后的EDS能譜分析Figure 4 EDS analysis of natural and modified serpentine before and after adsorption of Pb2+

2.3.2 XRD分析

圖5為天然蛇紋石與改性蛇紋石吸附前及吸附后的XRD圖譜。由圖5a、圖5b可知，天然蛇紋石在衍射角2為12.5°、19°、24.4°、35.5°、37.2°、50.1°均出現了屬于葉蛇紋石的特征峰（PDF#07-0417），表明此蛇紋石為葉蛇紋石。葉蛇紋石的晶體結構由四面體層與八面體層交替組成，形成一種波狀結構。天然蛇紋石中還含有少量鎳滑石成分，其對應的衍射角2為9.465°、28.6°、19.38°（PDF#22-0711）。吸附Pb前后天然蛇紋石晶體結構未發生明顯改變。據圖5c、圖5d可知改性后蛇紋石的晶體結構產生了一定變化，改性后的蛇紋石在衍射角2為17.44°、22.96°、23.95°、25.6°、29.8°、32.41°、35.8°、36.62°、39.77°、40.16°、52.35°出現了新的衍射峰，為鎂橄欖石的特征峰（PDF#84-1402），且葉蛇紋石對應的12.5°附近的強衍射峰與24.4°附近的次強衍射峰峰強度明顯減弱，說明改性后葉蛇紋石的晶體結構逐漸被破壞，產生了新的物相結構，改性后的蛇紋石主要由葉蛇紋石、鎂橄欖石與鎳滑石組成。吸附后改性蛇紋石在24.779°處出現了屬于PbCO的特征峰（PDF#85-1088），說明改性蛇紋石吸附Pb后產生了PbCO。高溫破壞了蛇紋石的晶格結構，晶格鍵斷裂形成更多高能鍵與水分子反應形成表面基團，提供了更多的吸附點位，從而提升了蛇紋石吸附性能。

圖5 天然及改性蛇紋石吸附Pb2+前后的XRD圖譜Figure 5 X-ray diffraction patterns of natural and modified serpentine before and after Pb2+adsorption

2.3.3 FI-IR紅外光譜分析

圖6為天然蛇紋石與改性蛇紋石吸附前及吸附后的FT-IR圖譜。由圖6可知蛇紋石紅外吸收頻率 主 要 集 中 在3 600～3 700、950～1 100、440～700 cm的范圍內。徐佳佳等研究發現，葉蛇紋石較其他蛇紋石在3 600～3 700 cm處有一個強伸縮振動峰，這是葉蛇紋石獨有的Mg—OH表面基團，因此本實驗所用蛇紋石應為葉蛇紋石。天然蛇紋石在3 677 cm處有較強的伸縮振動峰，改性蛇紋石在此處峰值降低，說明蛇紋石經過改性后Mg—OH基團含量降低。950～1 100 cm處為Si—O四面體伸縮振動與彎曲振動帶，960～1 026 cm處是平行于層面的E1類振動，改性后的蛇紋石在958 cm處的伸縮振動峰明顯減弱，說明高溫使蛇紋石中的Si—O鍵發生斷裂。改性后蛇紋石在875、420、447 cm附近出現新的伸縮振動峰，為鎂橄欖石的特征峰，說明高溫改變了蛇紋石的晶體結構，出現了新的物相結構，研究結果與XRD結果相符。吸附后的蛇紋石較吸附前各基團峰值均有所降低，說明在吸附過程中各基團存在明顯作用，而改性后的蛇紋石晶體結構發生改變增加了表面基團，從而提高了蛇紋石吸附性能。

圖6 天然及改性蛇紋石吸附Pb2+前后的FT-IR圖譜Figure 6 FT-IR spectra of natural and modified serpentine before and after Pb2+adsorption

2.3.4 XPS分析

圖7為改性蛇紋石吸附Pb前后的鎂元素與吸附后鉛元素的XPS圖譜。由圖7a可知，改性后蛇紋石上的鎂元素在1s軌道出現了兩個峰，為Mg（OH）和MgSiO（OH）·nHO表面活性基團，吸附后圖譜中鎂元素峰消失。說明改性蛇紋石中含鎂元素的基團易與溶液中Pb發生反應，從而被蛇紋石吸附。由圖7c可知，改性蛇紋石吸附Pb后鉛元素在4f軌道有兩個峰，經XPSpeak分峰擬合后，Pb4f7/2在139.6 eV和138.3 eV、Pb4f5/2在144.4 eV和141.2 eV處分別以Pb（NO）·Si—O、PbCO3、PbO·O—Si—O及Pb的形式存在，其中PbCO的峰面積最大，說明被吸附的Pb大部分以PbCO的形式吸附在蛇紋石表面，這一結果與XRD表征結論一致。

圖7 改性蛇紋石吸附前后鎂元素及吸附后鉛元素的XPS圖譜Figure 7 XPS spectra of magnesium and lead after adsorption on modified serpentine

2.3.5 改性蛇紋石吸附Pb機理

結合XPS結果及李桂金等的研究可知高溫處理可以破壞蛇紋石結構單元層間的氫鍵，顯著增大比表面積與層間距，有助于水分子浸潤，未裸露在表面的層間OH溶出，700℃處理下夾層結構坍塌，進一步弱化了層間結構聯系，更利于剩余OH溶出，且Mg所受束縛變弱后大量溶出，會與溶液中溶解的CO結合生成MgCO[反應式（1）]；在pH=6～9的溶液中MgCO的溶積度大于PbCO，因此MgCO與溶液中的Pb發生溶積置換生成PbCO沉淀[反應式（2）]；含Pb溶液與OH結合生成Pb（OH）沉淀[反應式（3）]。高溫改性研磨后，蛇紋石晶體結構也發生變化，表面形成基面和端面兩種斷面，基面形成斷裂的氫鍵，硅氧四面體片端面會形成—Si—O、—O—SiO高能斷鍵，鎂氧三八面體片端面則形成—OMg等高能斷鍵，端面的高能斷鍵極不穩定。溶液中Pb、NO與Si—O高能鍵形成了單配合鍵，以Pb（NO3）2—Si—O配合物的形式吸附在蛇紋石表面[反應式（4）]；有研究表明pH＜5.5時Pb在高嶺石表面吸附以—SOPb形態為主（S為蛇紋石表面基團），Pb與—OMg中的鎂發生置換生成—OPb[反應式（5）]，高能鍵—OPb與—O—Si—O形成了單配合鍵，以PbO—O—Si—O配合物的形式吸附在蛇紋石表面[反應式（6）]。還有少部分Pb與裸露的鎂質子發生了質子交換，吸引溶液中帶負電荷的基團，與基團一起被吸附在蛇紋石上。

2.4 不同因素對改性蛇紋石吸附水中Pb2+的影響

不同液固比、pH、粒徑、時間對改性蛇紋石吸附水中Pb的影響如圖8所示。由圖8a可知，添加量對蛇紋石吸附Pb效果影響較大，隨著添加量的增加，Pb去除率極大增加，吸附量隨之降低。當添加量為0.5、0.25 g時，蛇紋石對Pb去除率分別達到99.78%、99.58%，但此時對Pb的吸附量較低。添加量減小到0.05 g時吸附量可達到37.08 mg·g，但此時去除率相對較低，為77.46%。這可能是由于投加量較小時溶液中Pb含量較多，蛇紋石水解產生的表面基團及OH被充分利用產生沉淀，蛇紋石表面的吸附點位也被Pb充分占據，此時的吸附量較高，但較小的添加量使溶液中吸附點位、表面基團與OH含量較低，Pb去除率也相對較低；而在較高投加量時，溶液中Pb的量一定，單一蛇紋石顆粒上吸附的Pb降低吸附量降低，高投加量為Pb提供了更多的吸附點位、表面基團與OH，使溶液中的Pb幾乎都被蛇紋石吸附，去除率較高。投加量為0.17 g時，去除率已上升到98.08%，達到較高吸附水平，與投加量為0.5、0.25 g時相比差異不顯著，此時吸附量也達到較高水平，為13.81 mg·g。綜上所述，最佳液固比為150∶1。

初始pH為影響吸附效果的因素之一，當pH＞6時溶液中Pb將逐步生成Pb（OH）沉淀，因此本試驗設置pH為3、4、5、6探究pH對吸附效果的影響。由圖8b可知，蛇紋石對Pb的去除率隨pH的增大而增加，但增幅較小；吸附量隨pH的增大略有減小。Pb去除率的變化可能是因為隨著溶液初始pH的增加，蛇紋石表面發生脫質子數量逐漸增多，負電荷點位增多，導致金屬離子在蛇紋石上的吸附增加。本試驗在較低pH條件下進行，蛇紋石八面體被溶蝕，使Pb去除率隨pH升高增幅不明顯。一方面可能因為H溶出的Mg與Pb發生競爭吸附弱化了表面配位，另一方面八面體片中—OH被酸中和，不能有效提高環境pH使Pb形成沉淀，從表5可以看出反應后的溶液pH均有提升，但提升并不明顯。在相同Pb溶液調節不同初始pH時，Pb溶液的原始濃度隨著pH的增加逐漸降低，這與LI等的研究結果一致，因此吸附量會略有降低。在設定pH范圍內，pH=5時Pb去除率最大且吸附量較高。綜上所述，最佳初始pH為5。

表5 反應前后pH變化及溶液調節不同pH后的Pb2+濃度Table 5 pH changes before and after the reaction and the solution-adjusted Pb2+concentration after different pH

實際工藝中粒徑過細不便于操作，因此設定最大目數為150目。由圖8c可知蛇紋石對Pb的吸附量及去除率隨粒徑的減小而上升，而后有一定下降。蛇紋石粒徑在100目時，吸附量與去除率均達到最大，分別為14.25 mg·g和75.31%。這可能是因為粒徑小于100目時，隨著粒徑的減小比表面積逐步增加，相同質量蛇紋石可提供的有效吸附點位更多，故其吸附量與Pb的去除率均隨粒徑的增大而增大；然而當粒徑為150目時，單一蛇紋石顆粒上的有效吸附點位降低，雖然其比表面積增大了，但實際有效吸附點位反而略有降低，比表面積增加所帶來的邊際效應小于有效吸附點位的降低所帶來的影響，因此粒徑為150目時吸附性能有所下降，這與王晶采用貝殼粉吸附Cd的研究結果一致；粒徑為100目時表面積與吸附點位數量較高，吸附量及去除率均達到最大值。綜上所述，最佳粒徑大小為100目。

圖8 不同因素對改性蛇紋石吸附效果的影響Figure 8 Influence of different factors on the adsorption effect of modified serpentine

由圖8d可知，在吸附初期蛇紋石吸附Pb的速率較快，隨著時間的增加吸附速率逐漸降低，6 h后蛇紋石吸附Pb基本完成，之后在較高吸附水平上保持動態平衡，30 h時達到最大值，吸附量及去除率分別為19.69 mg·g、86.29%。可能因為在吸附之初Pb溶液與蛇紋石表面基團發生配位反應以及離子絡合作用，6 h后吸附點位逐漸減少，吸附量及去除率增長緩慢，在30 h時基本反應完全。綜上所述，最佳吸附時間為30 h。

2.5 蛇紋石對Pb2+的解吸實驗

表6為不同時間及pH條件下改性蛇紋石對Pb解吸情況。由表6可知在pH及時間的影響下，改性蛇紋石在溶液中Pb的解吸量及解吸率均較低，說明改性蛇紋石在水溶液中對Pb的吸附情況較為穩定。這可能是因為Pb在蛇紋石表面形成的配合物間的庫侖力較強，形態穩定，不易在外界影響下斷裂。因此改性蛇紋石有較好的吸附性能，能夠在水溶液中穩定吸附溶液中的Pb，不易發生解吸。

表6 不同條件下改性蛇紋石對Pb2+解吸情況Table 6 Desorption of Pb2+by modified serpentine under different conditions

2.6 響應面實驗設計及分析

2.6.1 響應面實驗結果與方差分析

在探究不同條件對蛇紋石吸附Pb效果的基礎上優化反應條件，采用Design-Expert 12.0對響應面設計實驗結果進行回歸分析，得到的蛇紋石吸附Pb的二次多項式回歸方程如下：

=11.065 7+3.003 5-0.111 1+0.304 4+0.046 4+0.085 5+0.125 8+0.088 3+0.118 9+0.143 9+0.141 5+0.095 1+0.144 9

=77.728 0-5.969 7+0.325 1+2.181 6+0.222 4+0.9888+0.8964+0.3371+1.3439+0.5170+0.828 9

Pb吸附量及去除率回歸模型極顯著（＜0.000 1），失擬項不顯著（=0.324 6＞0.05；=0.232 7＞0.05），模型擬合度較高，預測試驗結果較好。由吸附量及去除率回歸模型方差分析中決定系數（分別為0.993 4和0.909 2）調整決定系數分別為0.988 5和0.858 7，可知模型中的98.85%的Pb吸附量的變化及85.82%的Pb去除率的變化來自于自變量、、、。通過值和顯著水平得到蛇紋石對Pb的吸附量及去除率的影響因子的主次順序為：液固比（）＞吸附時間（）＞溶液pH（）＞蛇紋石粒徑（）。

2.6.2 各因素交互影響的響應面分析

各因素兩兩交互作用對蛇紋石吸附Pb的吸附量產生的影響如圖9所示。圖9a中的傾斜角度較大，可知液固比對蛇紋石吸附Pb吸附量的影響極顯著，當探究液固比與粒徑的交互作用時，液固比的影響較大，粒徑影響較小，隨著目數的增長吸附量先降低后增加；圖9b、圖9c傾斜角度均較小，pH與吸附時間、pH與粒徑的兩兩交互作用對蛇紋石吸附Pb吸附量的影響不顯著。圖9d的傾斜角度較大，可知當液固比與粒徑交互作用時液固比的影響明顯較大；由圖9e可知吸附時間對Pb去除率的影響較大，隨著反應時間的增加，不同pH條件下去除率均有提升，且pH越大提升幅度越明顯；由圖9f可知吸附時間相比粒徑對Pb去除率影響更大。

圖9 各因素交互作用對吸附量及去除率影響的響應面與等高線Figure 9 The response surface and contour of interaction of various factors on adsorption capacity and adsorption rate

由Design-Expert 12預測得出改性蛇紋石吸附Pb最優條件為：蛇紋石吸附Pb溶液的固液比為1∶200（∶）、pH=5.5、粒徑為140目，反應時間為36 h，此時蛇紋石吸附Pb的吸附量為15.26 mg·g，去除率為79.89%。在此優化條件下進行了3次平行實驗，得到吸附量及去除率分別為15.64 mg·g、80.19%，結果與預測值相差較小，表明響應面法優化實驗條件可行。

本文對改性蛇紋石對Pb的吸附機理及吸附最佳條件進行了初步探究，然而模擬廢水與實際生活中的廢水可能存在較大差異，后續應結合實際廢水對其吸附解吸實驗作進一步研究，進而實現工程化應用。

3 結論

（1）天然及改性蛇紋石吸附過程均更符合Freundlich等溫吸附模型和準二級動力學模型，且吸附過程為自發吸熱進行的，改性蛇紋石吸附性能明顯提升，理論最大飽和吸附容量更高。

（2）改性后葉蛇紋石的晶體結構逐漸被破壞，產生了新的物相結構，生成了鎂橄欖石，改性蛇紋石吸附Pb后以PbCO沉淀、Pb（NO）·Si—O、PbO·O—Si—O配合物的形式吸附在蛇紋石表面。

（3）改性蛇紋石對Pb的吸附情況較為穩定，Pb不易被解吸出來。

（4）Box-Behnken響應面法優化得出最佳吸附條件為固液比為1∶200（∶），pH=5.5，粒徑為140目，吸附時間為36 h，此時吸附量及去除率分別為15.26 mg·g和79.89%。