張磊磊，馬發(fā)韶，張 寧，程 偉，丁述理

(河北工程大學(xué) 資源學(xué)院，河北 邯鄲056038)

鉛是有毒重金屬，含鉛廢水嚴(yán)重危害人體健康和農(nóng)作物生長，因此含鉛廢水的處理問題日益引起人們關(guān)注。常見的處理方法包括化學(xué)沉淀法、離子交換法、反滲透法、膜過濾法和吸附法等，其中吸附法作為一種物理化學(xué)方法，以其低成本、高效能、可操作性強(qiáng)的特點被廣泛運(yùn)用。高嶺土是具有特殊分子結(jié)構(gòu)及不規(guī)則性晶體缺陷的硅鋁非晶體材料，對其進(jìn)行表面改性可以增強(qiáng)吸附性能。翟田濤［1]研究發(fā)現(xiàn)改性高嶺土對水中磷具有較好吸附效果，吸附率超過80%;王小波等［2]利用恒溫振蕩試驗，研究了酸、堿、鹽改性高嶺土對水中氮去除效果的影響，結(jié)果表明，改性處理后各高嶺土對水體中氮吸附速率顯著加快;楊翠娜等［3]研究發(fā)現(xiàn)膨潤土具有良好的離子交換性和吸附性，其在重金屬廢水處理中具有較好的效果;Uzum等［4]利用液相還原法在高嶺石表面合成納米零價鐵，并將改性高嶺石用于吸附廢水中的 Cu2+和Co2+。實驗結(jié)果表明，改性高嶺石對Cu2+和Co2+的吸附效果較好。利用高嶺土去除污水中鉛的文獻(xiàn)較少，本文研究了有機(jī)硅烷改性高嶺土吸附水中鉛的效果及吸附動力學(xué)機(jī)理，為污水中鉛處理提供理論依據(jù)。

1 實驗材料及儀器

化學(xué)試劑:濃硫酸，氫氧化鈉，KH580硅烷偶聯(lián)劑，廢水，取自邯鄲市滏陽河污水排放口，pH為 7.3。

實驗儀器:721型可見光分光光度計，SX－2型馬弗爐，D/MAX2000型 X射線衍射儀，JSM6360LV型掃描電子顯微鏡。

高嶺土:蘇州高嶺土，顏色灰白。

2 改性實驗

2.1 酸處理高嶺石

取50 g高嶺土樣品與200 ml 5M硫酸混合攪拌24 h。用蒸餾水清洗樣品，同時監(jiān)測溶液的pH值直到達(dá)到6.5。然后把樣品放入恒溫干燥箱，在105℃烘干2 h存儲備用。

2.2 偶聯(lián)劑處理高嶺土

取40 g酸處理過的樣品，加入18 g NaOH制成混合液，將200 ml H2SO4溶液添加到混合液中，在室溫下充分?jǐn)嚢?0 min。然后再加入176 ml硅烷偶聯(lián)劑KH580，用玻璃棒充分?jǐn)嚢杌旌? min。由此產(chǎn)生的凝膠進(jìn)一步同100 ml蒸餾水混合，然后在室溫下攪拌1 h，靜置12 h?；旌弦豪鋮s后放入馬弗爐內(nèi)在530℃高溫煅燒6 h。所產(chǎn)生的材料冷卻到室溫，并且用去離子水徹底地清洗以去除反應(yīng)中多余的NaOH和NaCl，然后在105℃溫度下烘干。

取未用酸處理過的高嶺土原土，按照上述步驟進(jìn)行實驗，作為比對。

3 結(jié)果與分析

3.1 化學(xué)成分

原始高嶺土樣品和硅烷偶聯(lián)劑KH580處理過(未用水清洗過)的樣品的化學(xué)分析結(jié)果如表1所示。從表中可以看出:未經(jīng)處理的樣品 SiO2和Al2O3含量分別為 50.8%和 30.8%，SiO2/Al2O3比值為1.5。但是這個比率在KH580處理過的高嶺土樣品中增加到2.6，這證實了此樣品中SiO2的增加量來自硅烷偶聯(lián)劑KH580。鋁硅比例增大將增加表面負(fù)性，因此增加高嶺土表面吸附容量。

表1 KH580改性前后高嶺土樣品化學(xué)成分Table.1 The composition of raw kaolin and modified kaolin by using KH580 %

3.2 零電荷點pH值

零電荷點控制著顆粒表面的電泳流動，使表面總電荷價趨向于零。電荷零點狀態(tài)下的pH值稱為電荷零點pH值，記為pHzpc。

圖1顯示出不同手段處理的高嶺土樣品的零電荷點溶液pH的差異。未處理的高嶺石零電荷點pH為5.5。煅燒后數(shù)值降到5.0，用硫酸處理后由于表面氫離子的吸附作用數(shù)值變?yōu)?.5。當(dāng)用KH580和NaOH處理時，高嶺土樣品pH值分別增加到6.9和7.2，這是表面增加更多氧化物的結(jié)果。因此，如果包含目標(biāo)污染物的溶液的pH值超過了高嶺石的零電荷點，它的表面將有負(fù)電荷網(wǎng)并且顯著的顯示出陽離子交換的能力，同時如果pH值低于零電荷點，污水中將主要保留陰離子。因此，硫酸處理過的高嶺石樣品顯示出更大地去除溶液中重金屬的潛力，然而有機(jī)硅烷處理過的樣品顯示出更大地去除有機(jī)污染物的潛力。

3.3 陽離子交換容量

不同高嶺石樣品陽離子交換容量值顯示如圖2。由圖可知:硅烷偶聯(lián)劑KH580處理過的高嶺石樣品顯示最高的陽離子交換量，其值為12.7 meq/100g，煅燒處理過的樣品顯示出最低值6.5 meq/100g。這歸因于煅燒使可交換原子散失，高嶺石結(jié)構(gòu)破壞。未處理高嶺石樣品陽離子交換值為8.7 meq/100g，這同其它文獻(xiàn)記錄值是一致的［5]。酸處理可以過濾掉相關(guān)的堿和堿的氧化物，這導(dǎo)致陽離子交換值降低到7.2 meq/100g。根據(jù)陽離子交換量值以及原始樣品和處理過的樣品的化學(xué)成分，可以認(rèn)為鉀和鐵是原始樣品中的可交換離子，硅烷處理后鈉進(jìn)入結(jié)構(gòu)中。

3.4 等溫吸附

圖3顯示了不同處理方法的高嶺石樣品鉛離子吸附等溫線?？芍?dāng)鉛在溶液中的平衡濃度是131.3 mg/L時，硅烷KH580處理過的高嶺土樣品的最大吸附量為53.7 mg/g，未處理高嶺土吸附量是12.3 mg/g。這些等溫線同等溫吸附模型方程匹配，可以發(fā)現(xiàn):未處理高嶺土對鉛的吸附過程可用BET型吸附等溫線很好的模擬。當(dāng)R2=0.998時，Shawabkeh－Tutunji方程最能代表有機(jī)硅烷處理樣品的回歸系數(shù)，平方差為0.98和0.97時，吸附量分別為47.463 mg/g和86.238mg/g。利用這些吸附等溫線模型分析可以得出:鉛化學(xué)吸附發(fā)生在處理過的高嶺石表面，而物理吸附發(fā)生在原始高嶺石表面。利用Langmuir方程的Q參數(shù)得到鉛單層的最大吸附容量，可以發(fā)現(xiàn)硅烷處理樣品最大吸附容量為54.351 mg/g，未處理高嶺石是13.32 mg/g。

4 結(jié)論

(1)用硅烷偶聯(lián)劑KH580處理過的高嶺土相比于天然高嶺土，提高了SiO2/Al2O3比值和表面積，增加了高嶺土表面吸附容量。

(2)改性高嶺土對鉛的吸附符合Shawabkeh－Tutunji吸附等溫線，高嶺土對鉛的吸附以化學(xué)吸附為主，主要發(fā)生在顆粒表面，活性高嶺土表面不可逆的化學(xué)吸附增強(qiáng)了水溶液中鉛的去除能力。

(3)改性高嶺土對污水中的鉛具有較好的去除效果，高嶺土表面對鉛的最大吸附能力是54.35 mg/g。

［1] 翟由濤.改性高嶺土對水中磷的吸附行為研究［J] .安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(28):84 －85.

［2] 王小波，王艷，盧樹昌，等.改性高嶺土對水體中氮磷去除效果的研究［J] .農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，29(9):1784－1788.

［3] 楊翠娜.膨潤土在污水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J] .河北化工，2008，31(12):20 －23.

［4] UZUM C，SHAHWAN T，EROGLU A E，et al.Synthesisand characterization of kaolinite－supported zerovalent iron nanoparticles and their application for the removal of aqueous Cu2+and Co2+ions［J] .Appl Clay Sci，2009.43(2):172 －181.

［5] MOHAPATRA D，MISHRA D，CHAUDHURY G R ，et al.Arsenic adsorption mechanism on clay minerals and its dependence on temperature［J] .Korean J Chem Eng，2007，24(3):426 －430.