硅藻土對(duì)水相中Sr2+的吸附性能研究

吳 波，張 偉

(1.西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué)分析測(cè)試中心，四川 綿陽 621010)

硅藻土對(duì)水相中Sr2+的吸附性能研究

吳 波1，張 偉2

(1.西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué)分析測(cè)試中心，四川 綿陽 621010)

研究了硅藻土對(duì)水相中Sr2+的吸附過程，討論了各種因素對(duì)吸附效果的影響。結(jié)果表明：硅藻土對(duì)水相中的Sr2+具有較好的吸附效果。溶液pH值是影響硅藻土吸附Sr2+的重要因素，在強(qiáng)酸性環(huán)境下，硅藻土對(duì)Sr2+的吸附效果較佳。硅藻土對(duì)Sr2+的去除率隨著硅藻土用量增加而增大，隨著Sr2+初始質(zhì)量濃度增加而降低；吸附量則隨著硅藻土用量增加而降低，隨著Sr2+初始濃度增加而增大。動(dòng)力學(xué)研究表明，硅藻土對(duì)Sr2+的吸附是快速吸附過程，吸附進(jìn)行到60min時(shí)，去除率和吸附量達(dá)到吸附平衡的95%；吸附過程較好地?cái)M合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

硅藻土；Sr2+；吸附

硅藻土是由硅藻及其他微生物的硅質(zhì)遺骸組成的生物硅質(zhì)巖，具有獨(dú)特微孔結(jié)構(gòu)、大比表面積、強(qiáng)吸附性、耐高溫、耐酸性等優(yōu)點(diǎn)，因此在污/廢水處理等方面具有廣泛的研究與應(yīng)用[1-4]。但是利用硅藻土處理中低放射性廢物的研究卻鮮有報(bào)道。日益強(qiáng)化的資源環(huán)境約束要求對(duì)中低放射性廢物的處理具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，因此，本文以硅藻土作吸附材料，研究其對(duì)水相中Sr2+的吸附條件、動(dòng)力學(xué)過程等吸附性能，為尋找新型高效吸附材料處理放射性廢物提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為放射性廢物減容化處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

硅藻土購(gòu)自成都市科龍化工試劑廠，化學(xué)純。經(jīng)XRF測(cè)試該硅藻土化學(xué)成分(%)為：SiO292.28，F(xiàn)e2O33.25，Al2O31.58，K2O 0.87，CaO 0.75，其他 1.27。

Sr(NO3)2、HNO3、NaOH等試劑均為分析純。鍶標(biāo)準(zhǔn)溶液配制：稱取2.42g硝酸鍶，置于100mL燒杯中，用超純水溶解后移至1 000mL容量瓶中，用蒸餾水沖洗玻棒及燒杯，沖洗液移入容量瓶，如此重復(fù)3次，向容量瓶里加入6mL濃HNO3，定容，搖勻得到1 000mg/L的Sr2+溶液，備用。使用時(shí)根據(jù)需要按比例稀釋至不同鍶離子濃度。

儀器：PHS-3C型精密酸度計(jì)(上海大普儀器有限公司)，TDL-40B離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)，SHA-2A冷凍水浴恒溫振蕩器(江蘇金壇市億通電子有限公司)，AA700型原子吸收光譜儀(美國(guó)PerkinElmer公司)，Magix型X-射線熒光光譜儀(荷蘭帕納科公司)。

1.2 靜態(tài)吸附試驗(yàn)

除特別說明外，溶液的初始pH值均用稀硝酸和10%氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)。

移取一定濃度的Sr2+溶液100mL置于250mL的三角瓶中，稱取試驗(yàn)所需硅藻土量加入到上述三角瓶中，置于恒溫(25±1℃)振蕩器中振蕩試驗(yàn)所用時(shí)間，后將懸濁液離心(5min，4 000r/min)分離，收集上清液用原子吸收光譜儀測(cè)定殘余Sr2+濃度，并收集固體樣品烘干，置于干燥器中備用。

1.3 去除率和吸附量的計(jì)算

以去除率R和吸附量Q表征硅藻土對(duì)水相中Sr2+的吸附效果，計(jì)算公式如下：

式中：R為去除率，%；Q為吸附量，mg/g；C0和Ct分別為吸附前和吸附t時(shí)刻后溶液中Sr2+濃度，mg/L；V為吸附溶液體積，L；m為硅藻土質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對(duì)吸附效果的影響

在Sr2+初始濃度為10mg/L、硅藻土用量為1.0g、振蕩時(shí)間60min和吸附溫度為25℃的條件下，考察了溶液初始pH值為2.0～7.0時(shí)硅藻土對(duì)Sr2+吸附效果的影響，結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，pH值對(duì)去除率和吸附量的影響較明顯。隨著溶液pH值增加，硅藻土對(duì)Sr2+的去除率及吸附量呈先下降后上升的趨勢(shì)。pH值為2.0時(shí)，去除率和吸附量達(dá)最大值，分別為48.62%和0.450 mg/g；pH值在2.0～4.0時(shí)，去除率和吸附量急劇下降，降幅達(dá)58%；pH值在4.0～7.0時(shí), 去除率和吸附量出現(xiàn)緩慢回升，但總體增幅較小。這一現(xiàn)象和諸多學(xué)者[5-6]研究的pH值對(duì)硅藻土吸附重金屬離子影響變化趨勢(shì)上有差異，可能和硅藻土的來源及組成等有關(guān)，需要后續(xù)深入探討。本試驗(yàn)選擇pH值為3.0進(jìn)行后續(xù)研究。

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

在pH值為3.0、Sr2+初始濃度為10mg/L、硅藻土用量為1.0 g和吸附溫度為25℃的條件下，硅藻土吸附去除Sr2+的動(dòng)力學(xué)曲線見圖2。

由圖2可知，試驗(yàn)開始的最初5min內(nèi)是硅藻土對(duì)Sr2+的快速吸附過程，去除率和吸附量分別為45.14%和0.468mg/g，達(dá)平衡時(shí)的86%左右。在5～600min內(nèi)，硅藻土對(duì)Sr2+的去除率和吸附量出現(xiàn)了升高—降低—再升高的反復(fù)波動(dòng)；吸附進(jìn)行到60min，去除率和吸附量達(dá)到吸附平衡的95%；繼續(xù)延長(zhǎng)吸附時(shí)間600～1 440min，硅藻土對(duì)Sr2+的吸附逐漸趨于平衡。

Sr2+的去除率和硅藻土吸附量隨時(shí)間的變化直接反映了吸附速率的大小，是硅藻土顆粒與Sr2+微觀吸附過程在宏觀上的反映。在吸附作用的初始階段，由于硅藻土表面和孔道上含有大量的硅羥基，硅羥基在水溶液中離解出H+，使其顆粒表面呈現(xiàn)電負(fù)性，對(duì)溶液中的陽離子具有較強(qiáng)的吸附能力，加之與Si-Al骨架結(jié)合力較弱的Na+、Ca2+等陽離子可能與Sr2+發(fā)生交換反應(yīng)，所以吸附過程進(jìn)行得很快；隨著吸附時(shí)間增加，硅藻土表面電負(fù)性及Na+、Ca2+等陽離子和有機(jī)活性基團(tuán)逐漸減少，硅藻土顆粒表面自由能逐漸降低，使得吸附速率減慢并最終達(dá)到平衡穩(wěn)定。

2.3 偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合

將動(dòng)力學(xué)分析中計(jì)算得到的硅藻土對(duì)Sr2+的吸附量用偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合：

式中：qe、qt分別為吸附平衡和t 時(shí)刻硅藻土對(duì)Sr2+的吸附量(mg/g)；k2為偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)[g·(mg/min)]。

擬合圖如圖3所示，擬合直線方程為y=1.822 3x+6.612，相關(guān)系數(shù)R2為0.999 8，偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)0.502 2g·(mg/min)，可知偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能很好地描述吸附過程。

2.4 硅藻土用量對(duì)吸附效果的影響

在pH值為3.0、Sr2+初始濃度10mg/L、振蕩時(shí)間60min和吸附溫度25℃的條件下，硅藻土用量0.3、0.5、1.0、1.5、2.0g，考察硅藻土用量對(duì)吸附Sr2+的影響，見圖4。

從圖4可知，其他試驗(yàn)條件不變，隨著硅藻土用量的增加，硅藻土對(duì)Sr2+的去除率逐漸增加，吸附量逐漸下降。當(dāng)硅藻土用量從0.3g增加到2.0g，去除率從27.33%增加到55.09%，吸附量卻從0.843 5mg/g下降到0.255 0mg/g。究其原因：溶液中Sr2+總量不變的前提下，增加吸附劑的用量使得吸附點(diǎn)位增多，去除率隨之增加；然而吸附點(diǎn)位的增多，則使單位吸附劑吸附到Sr2+的量減少，導(dǎo)致吸附量下降。

2.5 Sr2+初始質(zhì)量濃度對(duì)吸附效果的影響

在pH值為3.0、硅藻土用量為1.0g、振蕩時(shí)間60min和吸附溫度25℃的條件下，考察了Sr2+初始濃度分別為10、20、50、200、500mg/L時(shí)硅藻土吸附效果，見圖5。

由圖5可見，隨著Sr2+初始濃度的增加，硅藻土對(duì)Sr2+的去除率顯著下降，從48.73%下降到7.53%；而吸附量卻大幅提升，從0.447 1mg/g增加到3.596 7 mg/g，提升幅度達(dá)到原來的8倍多。這是因?yàn)椋喝芤褐泄柙逋劣昧坎蛔儯次近c(diǎn)位總數(shù)不變，隨著Sr2+初始濃度增大，吸附未飽和時(shí)被結(jié)合掉的吸附點(diǎn)位數(shù)逐漸增多，吸附量逐漸提高；然而單位體積內(nèi)未被吸附的Sr2+量卻大幅增加，導(dǎo)致去除率顯著下降。

3 結(jié)論

硅藻土對(duì)水相中的Sr2+具有較好的吸附效果，靜態(tài)吸附試驗(yàn)表明：溶液pH值是影響硅藻土吸附Sr2+的重要因素；在強(qiáng)酸性環(huán)境下，硅藻土對(duì)Sr2+的吸附效果優(yōu)于弱酸性及中性條件。動(dòng)力學(xué)研究分析，最初的5min是硅藻土對(duì)Sr2+的快速吸附過程，吸附進(jìn)行到60min時(shí)，去除率和吸附量可以達(dá)到吸附平衡的95%；并且這種吸附可以較好的擬合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。硅藻土用量增加，對(duì)Sr2+的去除率增加，吸附量下降。Sr2+初始濃度增加，硅藻土對(duì)Sr2+的去除率下降，吸附量大幅提升。

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Research on Adsorption of Strontium Ions by Diatomate

WU Bo, ZHANG Wei
(1.School of National Defence Science and Technology, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010,China; 2.Analytical and Testing Center Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

The adsorption of strontium ions by diatomate was investigated under the different adsorption conditions. The results of the study showed that the diatomate has some abilities to adsorb strontium ions from solution. PH value of the solution was an important factor for both solution chemistry of metals and adsorbent. The adsorption capacity of diatomate with strontium ions was better in acid condition. The removal rate risen as the dosage of diatomate increased, and declined as the concentration of strontium ions increased. While, the adsorption capacity declined as the dosage of diatomate increased, and risen as the concentration of strontium ions increased. The kinetics research indicated that the adsorption of strontium ions by diatomate was a rapid process. The removal rate and adsorption capacity could reach 95% of adsorption equilibrium in 60min. The experimental results were fitted well to the pseudo second-order kinetics equation.

diatomite; strontium ions; adsorption

X703;TD985

A

1007-9386(2011)01-0035-03

2010-12-02