王藝潔 楊家萍

蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院

靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土對Zn2+吸附研究

王藝潔 楊家萍

蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院

通過研究靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土從溶液中吸附金屬鋅離子的過程，考察了吸附時間、以及溫度因素對吸附效果的影響。結(jié)果表明，靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土原礦和改性土分別在在吸附時間為60 min，45min時吸附達(dá)到平衡。隨著溫度增加，凹凸棒粘土原礦和改性土吸附Zn2+的吸附量和吸附率都有所上升，但是變化不大.改性凹凸棒粘土在20℃時去除率已經(jīng)達(dá)到98.98%，考慮到經(jīng)濟性可以在室溫下進(jìn)行，靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土對Zn2+有良好的吸附作用。同時等溫模型擬合表明兩種模型都可以在一定程度上描述凹凸棒粘土對鋅離子的吸附，但是在溫度較低時Freundlich方程的擬合效果更好。

靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土；吸附；鋅離子

1 引言

含鋅廢水是一種對環(huán)境污染十分嚴(yán)重的廢水，鋅攝入量過多可致中毒。隨著人們對環(huán)境和健康的日益重視，尋求高效低成本的方法徹底地處理含鋅廢水，使其達(dá)到并低于排放的標(biāo)準(zhǔn)將是今后一段時間的研究重點所在。傳統(tǒng)的物理、化學(xué)法在含鋅廢水的處理上應(yīng)用十分廣泛，但仍然存在著諸如處理成本高、二次污染等問題。

在甘肅靖遠(yuǎn)、臨澤等發(fā)現(xiàn)的大型凹凸棒粘土礦，經(jīng)初步普查資源量可達(dá)10億噸以上，資源量豐富。凹凸棒粘土是一種層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽晶體礦物，具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì)。主要包括吸附性、載體性、催化性、可塑性和流變性等，可以作為處理水污染的吸附劑。本文主要采用甘肅靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土研究其吸附含鋅廢水，研究結(jié)果將為應(yīng)用甘肅靖遠(yuǎn)凹凸棒進(jìn)行水體重金屬污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

凹凸棒原土：實驗所用凹凸棒粘土為2016年10月采自甘肅靖遠(yuǎn)的紅色凹凸棒粘土。粉碎，取適量粉末過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，編號為S0，置于干燥密閉容器中保存，備用。

鋅標(biāo)準(zhǔn)儲備液：稱取4.3977g固體七水硫酸鋅（分析純）于250mL燒杯中用蒸餾水溶解，移入1000ml容量瓶中稀釋至標(biāo)線，搖勻，此溶液每毫升含100.0μg鋅。

2.2 試劑及儀器

試劑：七水硫酸鋅（分析純）；硫酸(化學(xué)純)

儀器：顎式破碎機（浙江上虞銀河測試儀器廠）；GJ-1密封式制樣粉碎機（浙江上虞市肖金化驗設(shè)備廠）；JA 1003N型電子天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司)；HJ-6多頭磁力加熱攪拌器（金壇市振興實驗器材廠）；恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上?，槴\實驗設(shè)備有限公司）；CP-Optima 2000DV等離子發(fā)射光譜儀(美國Perkin-El?mer公司)。

2.3 實驗方法

2.3.1 凹凸棒粘土改性實驗

取適量靖遠(yuǎn)紅色粉末狀凹凸棒原礦過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，按照10g/1000mL的固液比與2mol/L的硫酸溶液混合，室溫下置于HJ-6多頭磁力加熱攪拌器上攪拌20min，靜置18h，過濾，用蒸餾水水洗至pH呈中性，放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)（105℃）烘干，研磨后過200目篩，在360℃馬弗爐燒2h，編號為S1，置于干燥密閉容器中保存，備用。

2.3.2 凹凸棒粘土吸附試驗

吸附體系由一定濃度的金屬溶液中加入定量的凹凸棒粘土，并于固定振蕩速率和不同溫度下恒溫振蕩24h。然后用過濾法分離固液相，液相由等離子發(fā)射光譜法測量重金屬離子濃度。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 吸附時間對Zn2+吸附性能的影響

在溶液pH為7.0、溫度為25℃、初始Zn2+質(zhì)量濃度為60mg/L、凹凸棒黏土加入量為100mL Zn2+溶液中加入1g黏土，考察不同吸附時間條件下原礦及改性凹凸棒黏土對Zn2+的吸附性能，結(jié)果見圖1，圖2。在60min前，隨著攪拌時間的延長，凹凸棒原礦黏土對Zn2+的吸附率增加，60min后,殘余Zn2+含量基本不變，表明吸附時間為60分鐘時凹凸棒的吸附已經(jīng)達(dá)到平衡，因此最佳吸附時間為60分鐘。改性凹凸棒粘土對Zn2+的脫除效果比凹凸棒原礦粘土好，吸附時間為45分鐘，水中殘余Zn2+含量最低，繼續(xù)延長吸附時間水中殘余Zn2+含量基本不變達(dá)到平衡，吸附時間為45分鐘。與原礦相比，改性凹凸棒粘土對Zn2+的去除效果明顯提高。

圖1 凹凸棒原礦吸附時間對吸附性能的影響

圖2 改性凹凸棒粘土吸附時間對吸附性能的影響

3.2 吸附溫度對Zn2+吸附性能的影響

在溶液pH為7.0、攪拌時間為50min、初始Zn2+質(zhì)量濃度為60mg/L、凹凸棒黏土加入量為100mL Zn2+溶液中加入1g黏土，考察吸附溫度對吸附性能的影響。結(jié)果見圖3，圖4。凹凸棒原礦黏土對Zn2+的吸附容量和去除率隨吸附溫度的升高而增加，50℃后二者增加緩慢。這是由于溫度太低時，一方面溶液黏度大，分子擴散速率慢，另一方面，黏土對鉛離子的吸附可能為化學(xué)吸附，溫度低時化學(xué)吸附較慢，而升高溫度，液體擴散和吸附速率加大。改性凹凸棒粘土在20℃時去除率已經(jīng)達(dá)到98.98%，隨著溫度增加，粘土吸附Zn2+的吸附量和吸附率雖然都有所上升，但是變化不大，可見溫度對改性凹凸棒石粘土吸附Zn2+的影響不大，考慮到經(jīng)濟性可以在室溫下進(jìn)行。

圖3 凹凸棒原礦溫度對吸附性能的影響

圖4 改性凹凸棒粘土溫度對吸附性能的影響

3.3 等溫吸附模型擬合

吸附等溫過程用Freundlich和Langmuir模型擬合，其函數(shù)關(guān)系如下：

Freundlich方程

式中kf——吸附系數(shù)；

1/n——經(jīng)驗常數(shù)；

Ce——平衡質(zhì)量濃度，mg/L；

qe——平衡吸附量，mg/g。

Langmuir方程

式中Ce——平衡質(zhì)量濃度，mg/L；

qe——平衡吸附量，mg/g；

qm——單位表面達(dá)到飽和吸附時的最大吸附量，mg/g；

b——表征吸附表面強度的常數(shù)，L/mg。

3.3.1 凹凸棒原土吸附重金屬離子Zn2+的等溫吸附模型擬合

表1 鋅離子在凹凸棒原礦上吸附的等溫線常數(shù)和可決系數(shù)

表2 鋅離子在改性凹凸棒原礦上吸附的等溫線常數(shù)和可決系數(shù)

Freundlich等溫方程擬合曲線中得到的相關(guān)系數(shù)R2都較好，隨溫度的降低擬合效果變好，相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.98以上，而吸附系數(shù)和經(jīng)驗常數(shù)都隨溫度的降低而減小。Langmuir等溫方程擬合曲線中得到的相關(guān)系數(shù)R2同樣是隨溫度的降低擬合效果變好，其相關(guān)系數(shù)R2都在0.91以上。飽和吸附量qm隨溫度的升高而增大，表面吸附強度系數(shù)隨溫度的升高而降低。對比上述兩種方程擬合結(jié)果，兩種模型都可以在一定程度上描述凹凸棒原土對鋅離子的吸附，但是在溫度較低時Freundlich方程的擬合效果更好。

3.3.2 凹凸棒改性土吸附重金屬離子Zn2+的等溫吸附模型擬合

Langmuir等溫方程擬合曲線中得到的相關(guān)系數(shù)較Freun?dlich等溫擬合差，但其相關(guān)系數(shù)R2也都在0.9以上。飽和吸附量qm和表面吸附強度系數(shù)隨溫度的升高而增大。對比上述兩種方程擬合結(jié)果，兩種模型都能在一定程度上描述凹凸棒改性土對鋅離子的吸附，兩種模型線性擬合回歸方程的相關(guān)系數(shù)幾乎都在0.9以上。但比較兩者的相關(guān)系數(shù)可知，F(xiàn)reundlich方程的擬合結(jié)果更好。

4 結(jié)論

（1）在相同溫度下，比較靖遠(yuǎn)凹凸棒原礦和改性土對同濃度Zn2+的去除率和去除量可以看出，改性凹凸棒粘土對Zn2+的吸附比原礦有更好的效果。

（2）靖遠(yuǎn)凹凸棒原礦和改性土對Zn2+的吸附率隨著吸附時間增加而增加。靖遠(yuǎn)凹凸棒原礦和改性土的吸附性能隨著溫度的升高有所增強，但不是特別明顯。提高溫度使達(dá)到最大吸附率的時間縮短。

（3）采用Freundlich和Langmuir方程對靖遠(yuǎn)凹凸棒原礦和改性土的吸附等溫線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)兩種吸附模型都可以描述靖遠(yuǎn)凹凸棒原礦和改性土對Zn2+的吸附。通過比較相關(guān)系數(shù)，F(xiàn)reundlich方程的擬合結(jié)果更好。

[1]蔡魯晟,陳文婷,黃琳.含鋅廢水處理研究進(jìn)展[J].化工時刊,2006,20(3):68～75.

[2]夏君,瞿建國,馬錦民,等.含鋅廢水的微生物處理技術(shù)[J].化工環(huán)保,2005,25(3):191～194.

[3]申華,楊衛(wèi)東,石中亮.凹凸棒石吸附劑處理含鎳(Ⅱ)廢水的研究.遼寧化工,2005，34(5):187～189.

[4]陳天虎.凹凸棒石粘土吸附廢水中污染物機理探討[J].高校地質(zhì)學(xué)報,2000,6(2):265～270.

[5]陳天虎.改性凹凸棒石粘土吸附對比實驗研究[J].非金屬礦,2005,(5):11～12.

[6]唐源清.凹凸棒石粘土礦研究現(xiàn)狀綜述[J].甘肅冶金,2004,26(2):83～90.

[7]周濟元,崔炳芳.國外凹凸棒石粘土的若干情況[J].資源調(diào)查與環(huán)境,2004,25(4):248～25.

[8]任珺,劉麗莉,陶玲,付朝文.甘肅地區(qū)凹凸棒石的礦物組成分析.硅酸鹽通報,2013,32(11):2362～2365.

[9]鄭茂松,王愛勤,詹庚申.凹凸棒石黏土應(yīng)用研究.化學(xué)工業(yè)出版社,2007,34～52.

[10]Chen Hao,Wang Aiqin.(2009).Adsorption characteristics of Cu(Ⅱ)from aqueous solution onto poly(acrylamide)-attapulgite composite.Journal of Hazardous Materials,165:223-231.

[11]Chen,C.L.,Wang,X.K.(2006).Adsorption of Ni(Ⅱ)from aqueous solution using oxidized multiwall carbon nanotubes.Indus?trial and Engineering Chemistry Research,45:9144-9149.

王藝潔（1986-），女，漢族，甘肅蘭州人，講師，工學(xué)碩士，單位：蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院，研究方向：污水及廢棄物處理，循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展

楊家萍（1987-），女，漢族，甘肅景泰人，講師，工學(xué)碩士，單位：蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院，研究方向：水污染控制

蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院校級課題：甘肅靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土環(huán)保吸附材料的制備及性能研究，項目編號：2016BWJX004