會寧凹凸棒石粘土對Ni(Ⅱ)的吸附性能

張慶芳，胡顯峰，周丹丹

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

凹凸棒石又名坡縷石，是層鏈狀含水多孔富鎂鋁硅酸鹽粘土礦物，其晶體直徑只有幾十納米，顆粒非常細(xì)小，呈現(xiàn)細(xì)小的纖維狀晶體形態(tài)，屬于一維的天然納米材料[1，2]。由于凹凸棒石具有獨(dú)特的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、大量的微孔孔道、較大的比表面積，因而具有良好的吸附性能。

鎳是人體必需的生命元素，但過量的鎳會對人體造成危害，對水生生物也有明顯的毒害作用。近年來，鎳及化合物對機(jī)體多器官、多系統(tǒng)以及“三致”毒作用機(jī)制的研究報(bào)道較多[3，4]。作者研究了會寧凹凸棒石粘土吸附溶液中Ni(Ⅱ)的效果，為凹凸棒石粘土作為吸附劑去除Ni(Ⅱ)等重金屬污染物提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

吸附劑：凹凸棒石粘土，取自甘肅省會寧縣，粉碎過200目篩，提純后在105℃烘干，密封備用[5～9]。

吸附質(zhì)：實(shí)驗(yàn)中所需各種Ni(Ⅱ)溶液均由氯化鎳配制[10]。

氯化鎳、檸檬酸銨、碘、碘化鉀、乙二胺四乙酸鈉、丁二酮肟，均為分析純。

UV-2100型紫外可見分光光度計(jì)，上海尤尼柯儀器有限公司；HI9024型便攜式酸度計(jì)，北京哈納科儀科技有限公司；THZ-92B型氣浴恒溫振蕩器，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.2 方法

將0.1 g凹凸棒石粘土放入50 mL濃度為30 mg·L-1、pH值為6.3的Ni(Ⅱ)溶液中，控制溫度為30℃、振蕩速度為200 r·min-1，振蕩吸附20 min，取出，過濾，測定濾液中剩余的Ni(Ⅱ)濃度[11～15]，計(jì)算吸附率。

1.3 Ni(Ⅱ)濃度的測定

采用丁二酮肟光度法測定Ni(Ⅱ)濃度，最低檢出濃度為0.1 mg·L-1，測定上限為4 mg·L-1[16]。

所有實(shí)驗(yàn)均為3個(gè)平行樣，取其平均值。

1.4 吸附量的計(jì)算

當(dāng)吸附t時(shí)間后，凹凸棒石粘土吸附的Ni(Ⅱ)量qt(mg·g-1)按下式計(jì)算：

式中：c0、ct為初始和吸附t時(shí)間時(shí)液相中吸附質(zhì)的濃度，mg·L-1；V為吸附溶液的體積，mL；W為吸附劑的用量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附時(shí)間對吸附性能的影響(圖1)

圖1 吸附時(shí)間對吸附性能的影響

由圖1可知，凹凸棒石粘土對Ni(Ⅱ)的吸附分為三個(gè)階段，即快速吸附階段、緩慢吸附階段以及吸附平衡階段。0～10 min為快速吸附階段，吸附率在10 min內(nèi)由63%上升到90%；10～20 min為緩慢吸附階段，吸附率在10 min內(nèi)僅由90%上升到95%，上升速度較慢；20 min之后，隨吸附時(shí)間延長，凹凸棒石粘土對Ni(Ⅱ)的吸附率基本維持在95%左右，可以認(rèn)為達(dá)到了吸附平衡。本實(shí)驗(yàn)取最佳吸附時(shí)間為20 min。

2.2 Ni(Ⅱ)初始濃度對吸附性能的影響(圖2)

圖2 Ni(Ⅱ)初始濃度對吸附性能的影響

由圖2可知，隨著Ni(Ⅱ)初始濃度的增大，凹凸棒石粘土的吸附量逐漸上升，吸附率卻逐漸下降。相對于低濃度的Ni(Ⅱ)溶液，較高濃度Ni(Ⅱ)的去除率較低。這是因?yàn)?，凹凸棒石粘土表面活性點(diǎn)的數(shù)目有限，一定量的吸附劑對于一定濃度的吸附質(zhì)溶液，存在一個(gè)最佳的吸附量。本實(shí)驗(yàn)取最佳Ni(Ⅱ)初始濃度為30 mg·L-1。

2.3 溶液pH值對吸附性能的影響(圖3)

圖3 溶液pH值對吸附性能的影響

由圖3可知，在 pH<6.0時(shí)，吸附量和吸附率均隨pH值的增大而顯著上升；當(dāng)pH>6.0時(shí)，凹凸棒石粘土對Ni(Ⅱ)的吸附量和吸附率基本不變。這是因?yàn)椋谒嵝詶l件下凹凸棒石粘土帶有正電荷，不利于吸附進(jìn)行；堿性條件下凹凸棒石粘土帶有負(fù)電荷，其與陽離子之間存在靜電引力，利于吸附進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)取最佳pH值為6.0。

2.4 溫度對吸附性能的影響(圖4)

圖4 溫度對吸附性能的影響

由圖4可知，溫度從20℃升高到70℃，凹凸棒石粘土吸附Ni(Ⅱ)的吸附量和吸附率雖然都有所上升，但是變化不大，可見溫度對凹凸棒石粘土吸附Ni(Ⅱ)的影響不大。本實(shí)驗(yàn)可以在室溫下進(jìn)行。

2.5 吸附劑量對吸附性能的影響(圖5)

圖5 吸附劑量對吸附性能的影響

由圖5可知，溶液中Ni(Ⅱ)濃度一定時(shí)，吸附劑量從0.05 g增加到0.1 g，Ni(Ⅱ)的吸附率顯著上升，但再增加吸附劑量，Ni(Ⅱ)的吸附率升幅不大；吸附量則隨吸附劑量的增加而下降。吸附率的上升可能是由于凹凸棒石粘土表面積和可利用的活性吸附點(diǎn)位的增加；吸附量的下降可能是由于在Ni(Ⅱ)濃度不變時(shí)，凹凸棒石粘土用量的增加會使單位質(zhì)量凹凸棒石粘土吸附的Ni(Ⅱ)數(shù)量減少[即Ni(Ⅱ)與凹凸棒石粘土量的比值變小]，導(dǎo)致吸附到的Ni(Ⅱ)的量不足以抵消凹凸棒石粘土用量的增加。本實(shí)驗(yàn)取最佳吸附劑量為0.1 g·(50 mL)-1。

3 結(jié)論

(1)會寧凹凸棒石粘土對Ni(Ⅱ)的吸附在吸附前10 min內(nèi)基本完成，吸附率和吸附量均隨吸附時(shí)間的延長快速上升，10～20 min內(nèi)隨時(shí)間的延長緩慢上升，表明吸附趨于平衡。

(2)隨著Ni(Ⅱ)初始濃度的增大，會寧凹凸棒石粘土對Ni(Ⅱ)的吸附量上升，但吸附率卻逐漸下降。

(3)會寧凹凸棒石粘土對Ni(Ⅱ)的吸附量和吸附率都隨pH值增大而上升，pH>6.0時(shí)，吸附量和吸附率基本不變，表明吸附宜在中性或偏酸性條件下進(jìn)行。

(4)會寧凹凸棒石粘土對Ni(Ⅱ)的吸附量和吸附率均隨溫度的升高而上升，但是變化不大，表明吸附可以在室溫下進(jìn)行。

(5)隨著吸附劑量的增加，會寧凹凸棒石粘土對Ni(Ⅱ)的吸附量下降，但吸附率卻上升。

(6)會寧凹凸棒石粘土在吸附時(shí)間為20 min、Ni(Ⅱ)初始濃度為30 mg·L-1、pH值為6.0、吸附劑量為0.1 g·(50 mL)-1、溫度為20℃條件下，對Ni(Ⅱ)的吸附率最高達(dá)98.4%、最大吸附量為33.1 mg·g-1，表明會寧凹凸棒石粘土對Ni(Ⅱ)有良好的吸附作用。

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