CuZnMgAl水滑石衍生金屬氧化物對廢水中Pb（Ⅱ）的吸附

王軍濤，陳蘭萍，詹正坤

（1.咸寧學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，湖北 咸寧437100； 2.華中師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430079）

CuZnMgAl水滑石衍生金屬氧化物對廢水中Pb（Ⅱ）的吸附

王軍濤1＊，陳蘭萍1，詹正坤2

（1.咸寧學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，湖北 咸寧437100； 2.華中師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430079）

采用共沉淀法合成了不同物質(zhì)的量之比的CuZnMgAl水滑石（CuZnMgAl－HT），采用X射線衍射儀和熱分析儀分析了其晶體結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性；將CuZnMgAl－HT的焙燒產(chǎn)物作為吸附劑，測定了其對廢水中Pb（Ⅱ）的吸附性能.結(jié)果表明，最佳吸附條件為溫度30℃，pH 6.0，初始濃度80mg/L，水滑石前體Cu、Zn、Mg、Al的金屬物質(zhì)的量之比為1∶1∶4∶2，吸附時間40min時，相應(yīng)的吸附率可達(dá)95.23%.

水滑石；金屬氧化物；二價鉛；吸附

鉛的工業(yè)應(yīng)用非常廣泛，每年要產(chǎn)生大量的含鉛離子廢水，鉛與可溶性鉛鹽都有毒.含鉛離子廢水處理方法很多，其中最常用的方法是吸附法.目前己開發(fā)的吸附材料很多，如生物材料及其副產(chǎn)物、活性炭、天然或合成礦物等[1－4]，尋求高效廉價的鉛吸附材料一直是人們研究的重點之一.

層狀雙金屬氫氧化物是一類近年來發(fā)展迅速的層狀陰離子型黏土[5]，又稱水滑石（HT），層板帶有永久正電荷，層間具有可交換的陰離子以維持電荷平衡.通過層板的同晶取代可以制備三元、四元含多種金屬的水滑石.水滑石在一定溫度下經(jīng)過焙燒得到金屬復(fù)合氧化物，其焙燒產(chǎn)物比水滑石前體的比表面積更大，廣泛用作吸附劑等[6－8].

含鋅鎂元素的水滑石很容易得到高質(zhì)量的產(chǎn)品[9－10]，而含銅水滑石難以得到純度高的產(chǎn)品[11]，因此作者合成了CuZnMgAl四元水滑石，以其焙燒產(chǎn)物為吸附劑，利用正交實驗手段首次對模擬廢水中的二價鉛進(jìn)行了吸附研究.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Rigaku D/MAX－ⅢA型X射線粉末衍射儀（Cu靶輻射，波長0.154 06nm），日本理學(xué)株式會社，掃描速度為10°/min，掃描范圍3°～70°；STA－449C綜合熱分析系統(tǒng)，德國耐馳公司，升溫速率為10°/min；Perkin－Elmer Spectrum One紅外光譜儀，美國珀金埃爾默公司，KBr壓片；721型分光光度計，南京第四分析儀器有限公司.

Cu（NO3）3·6H2O、Mg（NO3）2·6H2O、Zn（NO3）2·6H2O、Al（NO3）3·9H2O、NaOH、Na2CO3、HNO3、Pb（NO3）2、二甲酚橙均為市售分析純試劑，水為超純水.

1.2 吸附劑的制備

采用低過飽和共沉淀法[9－10]合成了5種CuZnMgAl水滑石，水滑石中Cu、Zn、Mg、Al 4種金屬元素的物質(zhì)的量之比分別為1∶1∶1∶1，1∶1∶4∶2，1∶2∶3∶2，2∶1∶3∶2和1∶3∶2∶3.樣品在80℃下真空干燥，制成60目的顆粒（水滑石前體），于馬弗爐中430℃通N2灼燒4h，得焙燒產(chǎn)物，即為吸附劑.

1.3 吸附實驗

取硝酸鉛溶于超純水中得到含Pb（Ⅱ）為100mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，為模擬含鉛廢水.

取50mL硝酸鉛溶液，用HNO3和NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液的pH為6.0.取焙燒水滑石100mg投入其中，控制溫度，恒速磁力攪拌吸附，過濾，稀釋，向稀釋液中加入混合顯色劑二甲酚橙，在540nm處進(jìn)行吸光度測定.吸附率的計算公式：q＝（ρ0－ρt）/ρ0·100% ，ρ0和ρt為處理前后Pb（Ⅱ）溶液的質(zhì)量體積濃度.

采用L25（55）正交表進(jìn)行實驗設(shè)計，因素和水平見表1.

表1 因素水平表Table 1 Factors and level

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附劑前體的表征

五種吸附劑前體（水滑石）都進(jìn)行了XRD、TG－DTA測試，下面以CuZnMgAl水滑石（產(chǎn)品中四種金屬的物質(zhì)的量之比為1∶1∶1∶1），記為CuZnMgAl－HT（1111）為例進(jìn)行說明.

2.1.1 XRD測試

圖1是CuZnMgAl－HT（1111）的XRD圖譜，清晰可見七個水滑石的特征衍射峰[4]，其中三個高級衍射峰d003、d006、d009有良好的倍數(shù)關(guān)系，且d110和d113兩個衍射峰（2θ）在60°～62°之間清晰可辨，表明所合成的水滑石結(jié)晶良好，純度較高.

2.1.2 TG－DTA測試

對所有的樣品做TG－DTA測試，其中CuZnMgAl－HT（1111）的TG－DTA圖譜如圖2所示，曲線上出現(xiàn)兩個明顯的吸熱峰和兩個對應(yīng)的失重過程.在225℃左右時脫去層間結(jié)晶水，在380℃左右出現(xiàn)了吸收分解峰，對應(yīng)于層間和層板OH－分解生成CO2和H2O.焙燒溫度一般比脫去層間小分子的峰溫高50℃左右，作者選擇430℃進(jìn)行焙燒，焙燒時間為4h，以保證焙燒完全.

圖1 CuZnMgAl－HT（1111）的 XRDFig.1 XRD spectra of CuZnMgAl－HT（1111）

圖2 CuZnMgAl－HT（1111）的 TG－DTA測試Fig.2 TG－DTA of CuZnMgAl－HT（1111）

2.2 吸附實驗結(jié)果

正交吸附實驗的結(jié)果見表2，極差分析見表3.

表2 正交實驗及結(jié)果Table 2 The orthogonal experiment

表3 極差計算Table 3 Analysis of range

從表3數(shù)據(jù)可以看出，第一因素溫度的極差最大為19.59，說明溫度為影響吸附效果的最重要因素，同時極差數(shù)據(jù)隨溫度變化大致為先升后降，此因素中A2水平為最優(yōu)值，對應(yīng)的最佳吸附溫度為30℃.另外4個因素對吸附影響的大小順序依次是：pH、初始濃度、金屬物質(zhì)的量之比、時間.同理知它們的最優(yōu)水平分別為：B2，C3，D2，E2.因此最優(yōu)吸附參數(shù)組合為A2B2C3D2E2.

2.3 各因素的水平對吸附率的影響

對表3中數(shù)據(jù)作圖，影響吸附效率的各因素水平值變化趨勢見圖3.

2.3.1 溫度對吸附率的影響

從圖3可以看出，開始階段吸附率隨溫度的上升快速升高，而當(dāng)溫度達(dá)到30℃，吸附率隨溫度的升高而開始降低.說明剛開始時，溫度升高，活化分子增多，故吸附率也會相應(yīng)增加，到最高點后化學(xué)吸附達(dá)到了飽和，脫附與之競爭，形成平衡，該吸附過程以化學(xué)吸附為主.化學(xué)吸附是放熱反應(yīng)，故溫度繼續(xù)上升吸附率反而下降，平衡向脫附方向移動，使表觀吸附率下降.同時，整個吸附過程還包括物理吸附，物理吸附的結(jié)合力相對較弱，在過了最佳溫度的后半階段，物理吸附更傾向于解吸，因此總的吸附率會下降.

2.3.2 pH對吸附率的影響

圖3表明，吸附率隨pH的升高先增大后減小.pH較小時水中殘余的濃度很小，有利于鉛離子的吸附，但是pH過小，焙燒水滑石會開始溶解而遭到破壞.隨著pH的增大，體系中的濃度開始增大，焙燒水滑石會顯著吸附從而恢復(fù)水滑石的層狀結(jié)構(gòu)，對鉛離子的吸附作用減弱，所以吸附率開始下降.由圖3可知，吸附體系的酸度不能過小，也不能很大，pH＝6.0最合適.

2.3.3 時間、物質(zhì)的量之比和初始濃度對吸附率的影響

圖3表明，吸附率隨吸附時間的增加而增加.在前40min吸附作用最快，隨后緩慢增加.可能吸附是分為兩個階段，分別對應(yīng)于焙燒水滑石的表面吸附和層間吸附，層間吸附顯然要克服空間阻力，吸附相對困難，表現(xiàn)在吸附時間上是往后延遲的.

圖3表明，物質(zhì)的量之比對吸附率有比較明顯的影響，簡單而言的值越小，水滑石及其焙燒產(chǎn)物的層板正電荷密度有變大的趨勢，因而對鉛離子的吸附會減弱.

圖3還表明，隨著初始濃度的增加，吸附率先增大后減小，在80mg/L時達(dá)到峰值，出現(xiàn)平衡點，這是由于吸附過程中同時存在化學(xué)吸附和物理吸附造成的.

圖3 因素水平的變化趨勢圖Fig.3 Variation trend of factors and level

2.4 最佳反應(yīng)條件下的重復(fù)性實驗

根據(jù)前面的實驗結(jié)果，吸附鉛離子的最佳實驗條件為：吸附劑為CuZnMg4Al2水滑石焙燒產(chǎn)物，溫度為30℃，pH＝6.0，初始濃度為80mg/L，吸附時間為40min.在此條件下進(jìn)行重復(fù)性實驗，結(jié)果見表4.

表4 最佳工藝條件下重復(fù)實驗結(jié)果Table 4 The results of repeated tests under optimum experiment conditions

由表4可知，制備的吸附劑活性高，重現(xiàn)性好，對二價鉛離子的平均吸附率可達(dá)到95.23%.

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Adsorption lead ion in waste water by metallic oxides derived from CuZnMgAl－h(huán)ydrotalcites

WANG Jun－tao1＊，CHEN Lan－ping1，ZHAN Zheng－kun2

（1.SchoolofChemistryandLifeScience，XianningCollege，Xianning437100，Hubei，China；2.SchoolofChemistry，CentralChinaNormalUniversity，Wuhan430079，Hubei，China）

CuZnMgAl－h(huán)ydrotalcites （CuZnMgAl－HT ）with different metal molar ratios were synthesized by coprecipitation method.The crystal structure and thermal stability of as－synthesized CuZnMgAl－HT were analyzed by means of X－ray diffraction and thermal analysis.Moreover，as－synthesized CuZnMgAl－HT was calcinated，and the adsorption performance of the calcinated product，compound metal oxides，for Pb（Ⅱ）in waste water was examined.The optimum condition for adsorption is suggested as temperature 30℃ ，pH value 6.0，initial lead ion concentration 80mg/L，CuZnMgAl－HT precursor metal molar ratio of Cu、Zn、Mg、Al was 1∶1∶4∶2，and adsorption time 40min.Corresponding adsorption rate reaches as much as 95.23%.

hydrotalcite；metallic oxides；lead（Ⅱ）；adsorption

X 703

A

1008－1011（2012）01－0039－04

2011－06－22.

咸寧學(xué)院第四期大學(xué)生課外科技項目，咸寧學(xué)院校級青年科研項目（KY10051）.

王軍濤（1979－），男，講師，博士，研究方向為多孔、層狀功能材料.＊

，E－mail：wangjt3235＠yahoo.com.cn.