蒙脫石對(duì)溶液中鎳和銅的吸附特性研究

張 浩， 王燕華

(1.山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院， 濟(jì)南 250013;2.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

很多行業(yè)如電鍍、儀表、電子等在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放大量的含重金屬?gòu)U水［1］，因此去除廢水中的重金屬物質(zhì)成為保護(hù)環(huán)境和人類(lèi)健康的一個(gè)重要任務(wù)。去除廢水中重金屬的方法包括化學(xué)沉淀法、離子交換法、吸附法、膜分離法和電滲析法等［2-3］。在眾多的處理方法中，由于吸附法具有效率高、操作簡(jiǎn)單、吸附劑來(lái)源廣泛等特點(diǎn)，使其成為處理含重金屬?gòu)U水的首選方法［2-6］。吸附法的缺點(diǎn)主要是傳統(tǒng)吸附劑(如活性炭)成本較高以及再生困難，因此開(kāi)發(fā)更加經(jīng)濟(jì)、高效的替代產(chǎn)品成為研究的重點(diǎn)。在大量潛在的替代品中，以蒙脫石為代表的天然粘土材料逐漸得到了重視。蒙脫石是一種具有特定表面化學(xué)特性的天然粘土礦物，可以通過(guò)離子交換作用、配合作用、沉淀作用去除重金屬離子［7-10］。由于蒙脫石對(duì)重金屬離子具有較強(qiáng)的吸附能力，因此大量研究人員采用其作為吸附劑，對(duì)重金屬離子開(kāi)展了吸附研究［11-15］。

本研究選擇Ni2+和Cu2+作為目標(biāo)污染物，通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察不同影響因素下蒙脫石對(duì)兩種重金屬的吸附能力，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

蒙脫石(由天然膨潤(rùn)土經(jīng)離心提純后制得)、Ni(NO3)2·6H2O(AR)、Cu(NO3)2·3H2O(AR)、硝酸(AR)。

1.1.2 測(cè)試方法及儀器設(shè)備

溶液中離子濃度采用AA-6300C原子吸收光譜(日本Shimadzu公司)測(cè)定;溶液pH值采用PHS-3C型數(shù)字式酸度計(jì)(江蘇江分電分析儀器有限公司)測(cè)定。其他主要儀器包括:精密電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)、SHA-B型水浴恒溫振蕩器(江蘇金壇國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠)、FT101AC(S)P-4電熱鼓風(fēng)干燥箱(鎮(zhèn)江豐泰化驗(yàn)制樣設(shè)備有限公司)。

1.2 吸附實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

分別溶解一定量的 Cu(NO3)2·3 H2O和Ni(NO3)2·6H2O于1L蒸餾水中制備1 000 mg/L的貯備液。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先取貯備液稀釋至所需濃度從而配制成為使用液，然后取一定體積的使用液置于錐形瓶中，加入一定量的蒙脫石，在25±1℃恒溫水浴振蕩器中進(jìn)行吸附，吸附達(dá)到平衡后快速過(guò)濾，通過(guò)火焰原子吸收光譜直接測(cè)定上清液中殘余的金屬離子濃度。根據(jù)下式計(jì)算平衡吸附量qe(mg/g):

式中 C0— 溶液中初始離子濃度，mg/L;

Ce—吸附平衡時(shí)離子濃度，mg/L;

V—溶液體積，L;

m—蒙脫石質(zhì)量，g。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 溶液初始pH值對(duì)Cu2+和Ni2+吸附性能的影響

本實(shí)驗(yàn)研究了pH從2.45到9.6范圍內(nèi)溶液pH值對(duì)蒙脫石吸附Cu2+和Ni2+的影響。實(shí)驗(yàn)條件為:溶液體積40 mL，蒙脫石使用量0.5 g，吸附溫度25℃，Cu2+和Ni2+的初始濃度均為100 mg/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出溶液中Cu2+和Ni2+的剩余濃度隨著溶液pH增大而大幅下降，表明提高溶液pH值有利于蒙脫石吸附Cu2+和Ni2+。分析原因主要是金屬離子的去除主要依賴(lài)于吸附劑表面的活性位點(diǎn)數(shù)量和溶液中金屬離子本身的特性。pH較低時(shí)，溶液中的H+與金屬離子產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，爭(zhēng)奪吸附劑上有限的吸附位點(diǎn)從而降低吸附效果;隨著pH升高，H+量減少不再與金屬離子產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)從而使得更多的金屬離子能夠得以吸附，因此吸附效率明顯提高。

圖1 不同pH下溶液中Cu2+和Ni2+的剩余濃度

2.2 不同劑量吸附劑對(duì)Cu2+和Ni2+吸附性能的影響

實(shí)驗(yàn)考察了不同質(zhì)量的蒙脫石對(duì)Cu2+和Ni2+的吸附情況。實(shí)驗(yàn)條件為:所采用蒙脫石的量分別為0.1、0.5、1.0、1.5 g，溶液體積 40 mL，吸附溫度25℃，Cu2+和Ni2+的初始濃度均為100 mg/L，溶液pH值7.0±0.1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 蒙脫石用量對(duì)Cu2+和Ni2+吸附過(guò)程的影響

結(jié)果表明，隨著蒙脫石用量的增加，溶液中Cu2+和Ni2+的剩余濃度隨之降低，意味著去除效率相應(yīng)增加。分析原因認(rèn)為是在保持吸附質(zhì)濃度恒定不變的情況下增加吸附劑的量也就意味著增加了更多的可用吸附位點(diǎn)，從而使更多的金屬離子能夠被吸附。

2.3 溶液重金屬離子濃度對(duì)吸附效果的影響

本實(shí)驗(yàn)還研究了不同的重金屬離子濃度條件下，蒙脫石對(duì)Cu2+和Ni2+的吸附過(guò)程，實(shí)驗(yàn)條件為:溶液體積40 mL，蒙脫石使用量0.5 g，吸附溫度25℃，溶液pH值7.0±0.1。結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同初始濃度下Ni2+吸附平衡量與時(shí)間關(guān)系

圖4 不同初始濃度下Cu2+吸附平衡量與時(shí)間關(guān)系

由圖3和圖4可以看出，蒙脫石對(duì)2種離子的吸附速率都非?？?，在50～100 min內(nèi)，蒙脫石對(duì)Cu2+的吸附便達(dá)到了吸附平衡狀態(tài)，而對(duì)Ni2+的吸附平衡狀態(tài)在100～150 min內(nèi)出現(xiàn)。相比而言，在50、100 mg/L的初始濃度下，蒙脫石對(duì)Ni2+和Cu2+的吸附量相當(dāng);而在200、300 mg/L的初始濃度下，蒙脫石對(duì)Ni2+的吸附量比對(duì)Cu2+的吸附量更高。由于其他天然粘土材料，例如凹凸棒石、綠泥石、伊利石等均具有與蒙脫石類(lèi)似的層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)以及粘土材料特有的陽(yáng)離子交換特性，因此根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果推測(cè)這類(lèi)材料對(duì)Ni2+的吸附能力要高于其對(duì)Cu2+的吸附能力。

2.4 吸附動(dòng)力學(xué)研究

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用準(zhǔn)1級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)2級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)蒙脫石吸附Cu2+和Ni2+的過(guò)程進(jìn)行擬合。

(1)準(zhǔn)1級(jí)動(dòng)力學(xué)模型:

上式的直線形式為:

其中，k1是準(zhǔn)1級(jí)吸附速率常數(shù)，min-1;q是不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的金屬離子吸附量，mg/g;qe是平衡時(shí)吸附劑所吸附的金屬離子量，mg/g。

(2)準(zhǔn)2級(jí)動(dòng)力學(xué)模型:

上式的直線形式為:

其中，k2是準(zhǔn)2級(jí)吸附的速率常數(shù)，單位是g/(mg/min)，其他參數(shù)意義同準(zhǔn)1級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

根據(jù)公式(3)、(5)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，利用所得到的直線斜率和截距能夠得到方程中的相關(guān)參數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同濃度下蒙脫石吸附Cu2+和Ni2+的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

通過(guò)表1可以看出，不同濃度下的準(zhǔn)2級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)均大于0.998，準(zhǔn)1級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)均低于準(zhǔn)2級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)準(zhǔn)2級(jí)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算所得的吸附量qe與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值(qexp)非常接近，但是準(zhǔn)1級(jí)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值之間則有很大的差別，這表明蒙脫石吸附Cu2+和Ni2+的吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)2級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究了蒙脫石吸附劑對(duì)廢水中Cu2+和Ni2+的吸附，結(jié)果表明:

(1)隨著pH的增大，吸附效率明顯提高。當(dāng)pH＜7時(shí)，H+會(huì)與金屬離子發(fā)生吸附競(jìng)爭(zhēng)從而抑制吸附，pH值增加有利于金屬離子的去除;在初始濃度不變的條件下增加吸附劑用量，蒙脫石對(duì)重金屬離子的去除率升高;相同條件下，蒙脫石對(duì)Ni2+的吸附要強(qiáng)于對(duì)Cu2+的吸附。

(2)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果表明，蒙脫石對(duì)Cu2+和Ni2+的吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)2級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

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