Cu2+、Cd2+、Zn2+在高爐水淬渣上的競爭吸附特性

王哲，黃國和，安春江，陳莉榮，劉金亮

（1 華北電力大學(xué)能源與環(huán)境研究院，區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點實驗室，北京 102206；2 里賈納大學(xué)能源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展研究所，加拿大薩斯喀徹溫省 里賈納 S4S0A2；3 內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

在過去的幾十年中，由于重金屬使用量的增加不可避免地造成其在水體環(huán)境中含量的增加，來自采礦、工業(yè)和市政廢水、農(nóng)業(yè)徑流以及酸雨等都不同程度地引起水體中金屬含量的增加[1]。重金屬污染物由于有毒、不可降解、容易富集以及其他的負(fù)面效應(yīng)引起了人們廣泛的關(guān)注[2]。銅、鎘、鋅是3種常見的重金屬污染物，其中銅和鋅是人類、植物以及其他動物生長不可缺少的微量元素，但是如果攝入量超過標(biāo)準(zhǔn)，則會有一些負(fù)面的影響[3-4]。鎘不是動植物生長必需的元素，在濃度極低的情況下也會對人體健康形成威脅[5]。因此，有必要對水體中這些金屬離子進(jìn)行處理。目前，常見的處理重金屬離子的方法有吸附、化學(xué)沉降、離子交換以及膜過濾等方法。其中吸附法由于去除效率高以及具有較強(qiáng)的可操作性成為研究的熱點[6]，這也鼓勵人們使用各種低成本吸附劑凈化重金屬污染的水體。

高爐渣是在冶煉生鐵的時候從高爐中排出的一種工業(yè)固體廢棄物，當(dāng)高爐爐溫達(dá)到1400～1600℃的時候，爐料開始熔融，礦石中焦炭、脈石的灰分和助熔劑以及其他雜質(zhì)會形成以硅酸鹽和鋁酸鹽為主的熔渣，當(dāng)用大量的水把這些熔渣淬冷后，就會形成以玻璃體為主的細(xì)粒水渣，這就是高爐水淬渣（WBFS）[7]。高爐水淬渣主要由CaO、SiO2、Al2O3、MgO 以及 Fe2O3組成，表面具有粗糙、疏松和多孔的特性，這主要是由于高爐渣在水淬急冷條件下不易使礦物結(jié)晶，因而形成大量具有較高潛在活性的無定形活性玻璃結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不存在規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)[8]。以上這些特性說明高爐水淬渣這種工業(yè)固體廢棄物可以作為一種吸附劑用于重金屬廢水的處理。

縱觀國內(nèi)外的文獻(xiàn)，人們已經(jīng)開展了利用高爐水淬渣吸附鉛、銅和鎳的研究[9-10]。但是在實際水體環(huán)境中，往往重金屬離子不是單獨存在，而是很多種重金屬離子同時存在形成一個復(fù)合的系統(tǒng)[11]，因此不同重金屬離子在高爐水淬渣表面的競爭吸附機(jī)制非常復(fù)雜，目前尚未有人報道過。本研究以高爐水淬渣為材料，研究Cu2+、Cd2+、 Zn2+在其上的單組分以及競爭吸附等溫線和吸附動力學(xué)，探討Cu2+、Cd2+、 Zn2+共存時的競爭吸附機(jī)制，這一研究將為高爐水淬渣用于重金屬廢水處理提供理論 基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用高爐水淬渣取自內(nèi)蒙古包頭鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠。實驗前首先將渣用去離子水沖洗干凈以去除表面的雜質(zhì)，在100～105℃下干燥24h，然后將其粉碎，過100 目分樣篩，裝入聚乙烯塑料袋自封袋中備用。高爐水淬渣的化學(xué)組成成分中，CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.60%，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.99%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.46%，MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.45%，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.86%。比表面積為3.83m2/g，密度2.71g/cm3，松散容重為1200～1400kg/m3。礦物組 成 主 要 有 Ca3(Si3O9) 、 (Ca,Na)2(Al,Mg,Fe2+) [(Al,Si)SiO7]、MgAl2O4以及(Mg,Fe)2[SiO4]。

1.2 化學(xué)試劑

將Cu(NO3)2·3H2O、Cd(NO3)2·4H2O 和Zn(NO3)2· 6H2O（均為分析純）溶解于去離子水中，配成20～300mg/L 的溶液。

1.3 實驗儀器

電感耦合等離子體質(zhì)譜分析儀（ICP-MS，P-5000，日本Hitachi 公司），比表面積測定儀（SA 3000，美國Beckman Coulter 公司），原子吸收分光光度計（AA-6300C，日本 SHIMADZU 公司），數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱（GZX-9140MBE，中國），密封式制樣粉碎機(jī)（GJ-3，中國），回旋振蕩器（HY-B2，中國），水浴恒溫振蕩器（SHA-BA，中國）。

1.4 吸附實驗方法

1.4.1 吸附等溫實驗

準(zhǔn)確稱取1.5g預(yù)處理后的高爐水淬渣放入帶有封口膜的250mL 錐形瓶中，在每個錐形瓶中加入Cu2+、Cd2+、Zn2+初始濃度分別為20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、300mg/L，在每一個水淬渣試樣中加入單一、相同濃度的2 種重金屬離子及相同濃度3 種重金屬離子溶液50mL，并在pH 值為7（前期的單因素實驗結(jié)果表明3 種重金屬離子的去除率和吸附量在pH 值為1～7 的范圍內(nèi)迅速增加，當(dāng)pH 值＞7 以后趨于平緩，因此選擇pH 值為7）、溫度25℃條件下在恒溫水浴振蕩器上以120r/min 的轉(zhuǎn)速反應(yīng)100min。

1.4.2 吸附動力學(xué)實驗

將1.5g 高爐水淬渣加入100mg/L 的Cu2+、Cd2+、Zn2+單一、相同濃度的2 種重金屬離子及相同濃度3 種重金屬離子溶液50mL 中，在pH 值為7、溫度25℃條件下，以120r/min 的轉(zhuǎn)速反應(yīng)0～200min。

所有樣品上清液均通過濾紙過濾，濾液采用火焰原子吸收分光光度法測定水樣中的Cu2+、Cd2+、Zn2+的濃度。每個實驗做3 個平行樣并配備空白實驗，下文中所有實驗結(jié)果都是除去空白實驗之后的數(shù)值。吸附量（Qt）由式（1）進(jìn)行計算。

式中，Qt為t 時刻的吸附量，mg/g; c0和ce分別為溶液初始濃度和平衡濃度，mg/L；V 是廢水體積，mL；W 為吸附劑質(zhì)量，g。

1.5 吸附理論

1.5.1 吸附等溫模型[式（2）～式（7）]

Langmuir 吸附等溫模型

Freundlich 吸附等溫模型

Tempkin 吸附等溫模型

Dubinin-Radushkevich（D-R）吸附等溫模型

其中

式中，Qe為吸附平衡時的吸附量，mg/g；Qm為最大吸附量，mg/g；ce為吸附平衡時的濃度，mg/L；KL為Langmuir 吸附常數(shù)，L/mg；KF(mg/g) 和n 是Freundlich 模型常數(shù)；A 和B 均為Tempkin 吸附模型常數(shù)；k 是與吸附能量相關(guān)的常數(shù)；ε 是Polanyi 吸附勢；R 是氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T 是絕對溫度，K；E 是平均自由吸附能，當(dāng)＜8kJ/mol 時屬于物理吸附，當(dāng)8＜＜16kJ/mol時屬于離子交換，當(dāng)時屬于化學(xué)吸附。

1.5.2 吸附動力學(xué)模型[式（8）、式（9）]

偽一級動力學(xué)（Pseudo-first-order）模型

偽二級動力學(xué)（Pseudo-second-order）模型

式中，k1為偽一級速率常數(shù)，min-1；Qt和Qe分別為金屬離子在t 時刻和平衡時的吸附量，mg/g；k2是偽二級速率常數(shù)，g/(mg·min)；此外，初始吸附速率h[mg/(g·min)] =k2Qe2。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一組分與多組分競爭吸附等溫線

圖1 所示為Cu2+、Cd2+、Zn2+在二元、三元系統(tǒng)中的單一與競爭吸附等溫線，根據(jù)吸附等溫曲線對各個重金屬離子在有競爭離子存在時的吸附特性進(jìn)行分析。由圖1(a)可以觀察作為對照的各離子在單組分體系中的吸附行為?？梢钥闯?，在初始階段吸附量迅速增大，曲線向縱軸方向高度凸起，然后隨著溶液平衡濃度的增加，曲線逐漸變得平緩，并隨著離子濃度的增加而增加，這是因為金屬離子初始濃度越高，濃差推動力越大，高爐水淬渣與金屬離子之間的吸附作用增強(qiáng)，因此，吸附量隨之增 大[12]。根據(jù)Giles 等[13]對吸附等溫曲線的分類，可將它歸類為典型的“H”形等溫線，即吸附質(zhì)對吸附劑具有極大的親和力，即使吸附質(zhì)溶液濃度極低，吸附劑也能將其大量吸附。加入競爭離子后，只有Cu2+的吸附等溫線雖然較單組分時下降了，但基本還是維持原來的形狀，而Cd2+、Zn2+無論在二元還是三元系統(tǒng)中，吸附等溫線的形狀與任何傳統(tǒng)的吸附等溫線都不相同，這種現(xiàn)象主要是由于Cu2+、Cd2+、Zn2+在高爐水淬渣上競爭吸附位點，彼此對抗作用引起的[14]。

在Cu2++Cd2+系統(tǒng)中，單組分吸附能力表現(xiàn)為Cu2+＞Cd2+，競爭吸附時，吸附量的次序和單組分具有相同的規(guī)律，說明Cu2+與高爐水淬渣的親和力比Cd2+大。由于Cu2+的吸附能力比Cd2+強(qiáng)，隨著Cu2+濃度的增加，能將部分已經(jīng)吸附在高爐水淬渣上的Cd2+解吸到溶液中，從而降低了Cd2+的吸附。此外，由于這兩種離子共存時會共同競爭高爐水淬渣上的吸附位點，從而導(dǎo)致Cu2+和Cd2+二元系統(tǒng)中的吸附量都比單組分的吸附量降低了。在Cu2++Zn2+系統(tǒng)中，吸附能力表現(xiàn)規(guī)律與Cu2++Cd2+系統(tǒng)的相似。在Cd2++Zn2+系統(tǒng)中，單獨吸附時，高爐水淬渣對Cd2+的吸附量大于Zn2+的吸附量，說明吸附劑對Cd2+的吸附親和性比Zn2+更強(qiáng)。在二元系統(tǒng)中，Cd2+和Zn2+的吸附量均下降較多，在低濃度區(qū)域，Zn2+的吸附量高于Cd2+的吸附量，而在高濃度區(qū)域，表現(xiàn)規(guī)律則相反。在Cu2++Cd2++Zn2+的系統(tǒng)中，單一組分吸附時，高爐水淬渣對Cu2+的吸附明顯高于其他2 種離子，順序為Cu2+＞Cd2+＞Zn2+，混合溶液中，各離子吸附量均明顯下降，其中Cd2+和Zn2+的下降較為明顯。一般情況下，在離子濃度較低的時候，由于吸附位點相對較為富裕，所以各離子吸附量下降不會太多[15]，但是在本研究中Cd2+和Zn2+卻沒有體現(xiàn)這一規(guī)律。

圖1 各系統(tǒng)中重金屬離子在高爐水淬渣上的吸附等溫曲線

2.2 單一組分與多組分競爭吸附等溫模型

將實驗數(shù)據(jù)按Langmuir、Freundlich、D-R 以及Tempkin 等溫吸附模型進(jìn)行擬合，得到的模型參數(shù)見表1。由表1 可見，單一組分吸附時，從相關(guān)系數(shù)來看，Langmuir 吸附等溫模型（0.9726＜ R2＜ 0.9822）能更好地擬合實驗數(shù)據(jù)，表明Cu2+、Cd2+、Zn2+在高爐水淬渣上的吸附主要為單分子層吸附。這一結(jié)論與很多人的研究結(jié)果一致[16-17]。KL是Langmuir 常數(shù)，值越大表明吸附劑與重金屬離子的結(jié)合能力越大[18]，這3 種金屬離子KL值大小順序為Cu2+＞ Cd2+＞ Zn2+，表明高爐水淬渣與Cu2+結(jié)合能力最強(qiáng)，然后依次是Cd2+和 Zn2+。Cu2+、Cd2+、Zn2+理論最大吸附量分別為8.15mg/g、6.39mg/g 和6.10mg/g。Freundlich 方程中，n 值可以反映吸附強(qiáng)度，如果1＜n＜10，表示是一個有利吸附[19]。從表1可以看出，單組分時Cu2+、Cd2+、Zn2+在高爐水淬渣上的吸附均為有利吸附。對于D-R 模型，Cu2+、Cd2+、Zn2+理論最大吸附量分別為 16.07mg/g、10.83mg/g 和10.60mg/g，這與實驗得到的值存在一定的差異，這是因為D-R 模型假設(shè)的是一種吸附劑孔隙中完全被溶質(zhì)填充的理想狀態(tài)。吸附能量E 分別為-15.81kJ/mol、-17.15kJ/mol 以及-15.08kJ/mol。Cu2+和Zn2+的均位于8 到16kJ/mol 之間，表明高爐水淬渣對Cu2+和Zn2+的吸附機(jī)制以離子交換為主，而Cd2+的＞16kJ/mol，屬于化學(xué)吸附。Tempkin模型適用于吸附熱是隨表面覆蓋度變化而線性下降的化學(xué)吸附，從相關(guān)系數(shù) (0.9144＜R2＜0.9378) 來看，3 種離子的吸附比較適合該等溫式。

用等溫吸附模型對有競爭離子存在時的Cu2+、Cd2+、Zn2+在高爐水淬渣上的吸附實驗結(jié)果進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Cu2+(Cu2++Cd2+)、Cu2+(Cu2++Zn2+)、Cu2+(Cu2++Cd2++Zn2+) 系統(tǒng)中 Cu2+的吸附在與Langmuir 吸附等溫模型相符的同時也比較符合Freundlich 模型，說明在競爭條件下，Cu2+的吸附在單分子層的化學(xué)吸附上還存在多分子層的物理化學(xué)吸附。Cu2+的最大吸附容量Qm從大到小依次為Cu2+(Cu2++Zn2+) 7.73mg/g ＞Cu2+(Cu2++Cd2++Zn2+) 7.09mg/g＞Cu2+(Cu2++Cd2+) 7.01mg/g。其余各組系統(tǒng)中Cd2+和Zn2+的吸附量在20～300mg/L 的范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)飽和的趨勢，也不符合Langmuir 吸附等溫模型，但在20～80mg/L 的低濃度范圍內(nèi)，Cd2+和Zn2+的Langmuir 吸附相關(guān)系數(shù)則相對較高，說明在低濃度區(qū)范圍內(nèi)，吸附劑表面比較均質(zhì)，金屬離子之間還沒有形成相互競爭作用，而主要表現(xiàn)為重金屬與高爐水淬渣之間直接作用?？傮w來講，當(dāng)有競爭離子存在時，高爐水淬渣對Cd2+和Zn2+的吸附相對Cu2+的吸附更為復(fù)雜，用現(xiàn)有常見的等溫吸附模型無法很好地擬合等溫吸附過程。

表1 不同重金屬離子的吸附參數(shù)

2.3 單一組分與多組分競爭吸附動力學(xué)曲線

反應(yīng)時間對重金屬離子的吸附效果有重要影響，因此為研究接觸時間對Cu2+、Cd2+、Zn2+在一元、二元、三元系統(tǒng)中的吸附影響進(jìn)行了吸附動力學(xué)實驗，結(jié)果見圖2。由圖2(d)可知，對單一體系來說，隨著吸附時間的增大，Cu2+、Cd2+、Zn2+的吸附量也隨著快速增大，此階段主要是一種表面作用，約100min 后，表面吸附的離子向水淬渣內(nèi)部進(jìn)一步深層擴(kuò)散，進(jìn)入慢速階段，廢液中各個重金屬離子的吸附量逐漸趨于平穩(wěn)，最終達(dá)到吸附平衡。這是因為初始階段，高爐水淬渣表面的活性位點較多，濃度梯度較大，傳質(zhì)的推動力也相應(yīng)較大，隨著時間的延長，重金屬濃度變小，傳質(zhì)推動力相應(yīng)變小，因此吸附反應(yīng)趨于緩慢[20]。在Cu2+-Cd2+系統(tǒng)中，高爐渣對Cu2+的單組分和競爭吸附平衡時間基本一致，而Cd2+在競爭條件下吸附平衡時間比單組分時的吸附平衡時間（100min）延長了，說明Cu2+的存在使高爐水淬渣與Cd2+的反應(yīng)時間變長，延緩了Cd2+達(dá)到平衡的時間。在Cu2+-Zn2+系統(tǒng)中，Cu2+和Zn2+在單組分和競爭條件下的吸附平衡時間沒有太大的變化。在Cd2+-Zn2+系統(tǒng)中，Cd2+在競爭條件下和單組分時的吸附平衡時間沒有太大差異，而Zn2+在競爭條件下吸附平衡時間反而縮短了。在Cu2+-Cd2+-Zn2+的系統(tǒng)中，Cu2+和Cd2+在單組分和三元競爭條件下吸附平衡時間差別很小，只有Zn2+在競爭條件下比單組分時吸附平衡時間縮短。

圖2 各系統(tǒng)中重金屬離子在高爐水淬渣上的吸附動力學(xué) 曲線

在Cu2+-Cd2+系統(tǒng)中，單組分時Cu2+在100min以內(nèi)吸附量低于Cd2+，但100min 以后，Cu2+的吸附量反而略高于Cd2+。競爭條件下，Cu2+和Cd2+的吸附量都比單組分的吸附量降低了，Cd2+的吸附量降低的幅度更大，吸附能力表現(xiàn)為Cu2+＞Cd2+。在Cu2+-Zn2+系統(tǒng)中，Zn2+的存在反而促進(jìn)了Cu2+在高爐水淬渣上的吸附，使Cu2+的吸附量比單組分時增大了，Zn2+的吸附量在競爭條件下比單組分時下降較多。在Cd2+-Zn2+系統(tǒng)中，競爭條件下Cd2+和Zn2+的吸附量均比單組分時有所下降，吸附能力在兩種條件下均表現(xiàn)為Cd2+＞Zn2+。在Cu2+-Cd2+-Zn2+的系統(tǒng)中，各重金屬離子在三元競爭條件下吸附量均呈下降趨勢，100min 后，無論是單組分還是競爭條件下，吸附量的順序均為Cu2+＞Cd2+＞Zn2+，這與吸附等溫線所反映出的規(guī)律一致。

很多研究者認(rèn)為競爭吸附時重金屬離子的選擇順序與其自身的性質(zhì)有關(guān)，現(xiàn)將文中涉及的3 種重金屬離子的基本理化性質(zhì)總結(jié)于表2[21]。對于一般二價金屬，由于半徑不同，產(chǎn)生優(yōu)先選擇吸附的順序是Cu2+（73）＞Zn2+（74）＞Cd2+（95）[22]。電負(fù)性是決定重金屬離子吸附順序的重要參數(shù)，電負(fù)性越大的金屬與吸附劑表面或內(nèi)部氧原子結(jié)合形成共價鍵越強(qiáng)，也就越容易被吸附[23]，因此按照電負(fù)性預(yù)測選擇吸附的順序為Cu2+＞Cd2+＞Zn2+。專性吸附與離子的水解能力有關(guān)，一般吸附親和力的大小隨水解常數(shù)的負(fù)對數(shù)pK1的增大而減小[24]，其順序為Cu2+（7.34）＞Zn2+（8.96）＞Cd2+（9.20）。高爐水淬渣的玻璃體由網(wǎng)架形成體和網(wǎng)架改性體組成。網(wǎng)架形成體主要由SiO42-組成，網(wǎng)架改性體主要由Ca2+組成，而水淬渣中的的A13+和Mg2+不僅是網(wǎng)架的形成體，而且又是網(wǎng)架的改性體，這種硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是礦渣具有潛在活性的原因[25]。同時，吸附劑層電荷主要分布在四面體中，對層間陽離子的庫倫引力較弱。因此，溶液中的金屬離子容易和層間的陽離子進(jìn)行離子交換反應(yīng)[26]。對于相同價態(tài)的陽離子，吸附能力很大程度上取決于水合離子半徑，水合半徑越小，越容易和高爐水淬渣中的陽離子發(fā)生離子交換反應(yīng)，由于水合離子半徑順序為 Cu2+（0.419）＞Cd2+（0.426）＞Zn2+（0.430），因此，對Cu2+的吸附能力最強(qiáng)，而對Cd2+和Zn2+的吸附能力弱些。在僅有靜電力引起的吸附過程，荷徑比越大鍵能越強(qiáng)，重金屬選擇順序為Cu2+＞Cd2+＞Zn2+。本研究結(jié)果表明，高爐水淬渣對Cu2+、Cd2+、Zn2+的吸附具有一定的選擇性，吸附過程符合重金屬離子電負(fù)性、水合離子半徑及荷徑比的排列順序。

表2 重金屬的基本物理化學(xué)特性參數(shù)[21]

2.4 單一組分與多組分競爭吸附動力學(xué)模型

目前大量的研究都在廣泛使用偽一級動力學(xué)模型和偽二級動力學(xué)模型來解釋實驗結(jié)果，預(yù)測反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)速率的快慢，并進(jìn)一步揭示反應(yīng)的機(jī)理。對Cu2+、Cd2+、Zn2+在高爐水淬渣上的吸附動力學(xué)過程用偽一級和偽二級動力學(xué)模型進(jìn)行擬合，結(jié)果見表3。由表3 可知，無論是單組分還是競爭條件下，偽二級動力學(xué)方程的相關(guān)系數(shù)都較偽一級動力學(xué)方程的高，而且計算得到Qe,cal也更接近實驗中測得的Qe,exp。這是因為偽二級動力學(xué)方程與偽一級動力學(xué)方程相比在作圖擬合過程中不需要先測得平衡吸附量，這樣可以減少誤差。此外偽二級動力學(xué)方程包含了外部液膜擴(kuò)散、表面吸附以及顆粒內(nèi)擴(kuò)散等吸附的全部過程，因此偽二級動力學(xué)方程能夠更為真實地反映Cu2+、Cd2+、Zn2+在高爐水淬渣上的吸附機(jī)理。因為偽二級動力學(xué)方程認(rèn)為影響吸附的主要因素是化學(xué)鍵的形成，所以認(rèn)為高爐水淬渣對重金屬離子的吸附以化學(xué)吸附為主。根據(jù)D-R等溫模型擬合結(jié)果可知，Cu2+和Zn2+是以化學(xué)吸附中的離子交換為主?；瘜W(xué)吸附主要是由于高爐水淬渣存在大量的硅和鋁等活性點，能通過化學(xué)鏈與金屬離子之間發(fā)生結(jié)合。此外，雖然高爐水淬渣表面疏松多孔，但由于比表面積相對較小，因此物理吸附不占據(jù)主導(dǎo)，化學(xué)吸附體現(xiàn)出來的優(yōu)勢更大。

單組分和競爭條件下，Qe,exp和Qe,cal吸附量大小均為Cu2+＞Cd2+＞Zn2+，此外除了Cu2+(Cu2+-Zn2+)的Qe,exp值（3.34）略高于單組分Cu2+的Qe,exp值（3.32），從而表現(xiàn)出協(xié)同吸附以外，其余系統(tǒng)中各離子在共存條件下的吸附量均低于單組分時的吸附量，表現(xiàn)出競爭吸附。單組分時，偽二級動力學(xué)模型計算出的初始吸附速率h 和偽二級速率常數(shù)K2值均為Cd2+＞Cu2+＞Zn2+，表明Cd2+的吸附速率快于Cu2+和Zn2+，這與動力學(xué)曲線所反映出的規(guī)律一致。對于競爭吸附體系，Cu2+(Cu2+-Zn2+)、Zn2+(Cd2+-Zn2+)及Cu2+(Cu2+-Cd2+-Zn2+) 的h 和K2值均高于單組分的值，而 Cu2+(Cu2+-Cd2+) 、Cd2+(Cu2+-Cd2+)及Cd2+(Cd2+-Zn2+)的h 和K2值均低于單組分的值，說明混合離子的存在都不同程度地影響Cu2+、Cd2+、Zn2+在高爐水淬渣上的吸附速率，這主要是因為金屬離子之間的競爭效應(yīng)使得吸附速率發(fā)生了改變。

3 結(jié) 論

本研究以高爐水淬渣為吸附劑，開展了3 種重金屬離子Cu2+、Cd2+、Zn2+的吸附去除效果研究，重點討論了競爭條件下金屬離子之間的相互影響，得出如下結(jié)論。

表3 各重金屬離子在高爐水淬渣上的動力學(xué)參數(shù)

（1）單組分體系中，各金屬離子的吸附等溫線為典型的“H”形等溫線，加入競爭離子后，除Cu2+的吸附等溫線基本還是維持原來的形狀以外，其余各離子的吸附等溫線都不符合傳統(tǒng)等溫線形狀。單一組分吸附時，高爐水淬渣吸附的順序為Cu2+＞Cd2+＞Zn2+，混合溶液中，各金屬離子的吸附量都比單組分的吸附量降低了。

（2）單一組分吸附時，Langmuir 吸附等溫模型能更好地擬合實驗數(shù)據(jù)，表明Cu2+、Cd2+、Zn2+在高爐水淬渣上的吸附主要為單分子層的吸附。當(dāng)有競爭離子存在時，Cu2+的吸附與 Langmuir 和Freundlich 吸附等溫模型均比較相符，而Cd2+和Zn2+的吸附用現(xiàn)有等溫吸附模型無法很好地擬合等溫吸附過程。

（3）單一體系中，3 種金屬離子的動力學(xué)曲線均為先是一個快速階段，然后進(jìn)入慢速階段。競爭條 件 下， Cd2+(Cu2+-Cd2+) 、 Zn2+(Cd2+-Zn2+) 及Zn2+(Cu2+-Cd2+-Zn2+)的吸附平衡時間發(fā)生了改變。

（4）無論是單組分還是競爭條件下，偽二級動力學(xué)方程擬合結(jié)果較好。

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