物理化學吸附實驗條件的探究*

呂喜風，汪河斌，田維亮，陳俊毅，李 仲，梁鵬舉

(塔里木大學生命科學學院，新疆 阿拉爾 843300)

六價鉻離子具有強氧化性和強致癌性[1]，如何除去Cr(Ⅵ)就顯得尤為重要。吸附法是一種高效、簡便的去除重金屬的方法[2]。學生從物理化學表面吸附一章得到啟發(fā)，設計創(chuàng)新實驗利用新疆蛭石制備吸附劑完成對Cr(Ⅵ)的吸附研究。蛭石具有較大的比表面積和較高的離子交換容量[3-4]，但其自身的特性導致吸附重金屬離子后無法用傳統(tǒng)的分離方法將其快速分離[5]。故利用磁性Fe3O4的特性制作Fe3O4-蛭石復合材料便于后期處理[6]。

實驗用七水硫酸亞鐵和氯化鐵制備Fe3O4-蛭石復合材料，并用四氧化三鐵-蛭石復合材料作為吸附劑，研究不同的反應溫度、pH值、復合材料添加量、反應時間時Cr(Ⅵ)的吸附性能。通過吸附實驗，學生加深了對吸附劑概念及吸附過程的理解。

1 實 驗

1.1 儀器及藥品

藥品：FeSO4·7H2O、HNO3、FeCl3、K2CrO4、NaOH，以上試劑均為分析純。

儀器設備：UV2400紫外分光光度計，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；CFL535R低速大容量冷凍離心機，湖南湘立科學儀器有限公司；JA1003N電子天平，上海菁海儀器有限公司。

1.2 Fe3O4-蛭石復合材料制備

分別稱取1.89 g FeCl3和2.76 g的FeSO4·7H2O，溶解后定容于100 mL容量瓶，得到濃度為0.04 mol·L-1的Fe3+溶液和0.02 mol·L-1的Fe2+溶液。將兩種溶液等體積混合均勻，按固液比為1:100的比例將膨脹蛭石與所配制的混合溶液一并加入到燒杯中攪拌均勻。將燒杯放入70 ℃溫度恒溫水浴攪拌箱，以500 r·min-1的攪拌速度反應20 min，過濾得固體物質。用蒸餾水將所得固體材料洗滌至中性，然后再將復合材料置于烘箱內2 h，研磨，過100目篩待用。

1.3 吸附率計算方法

本實驗初始Cr(Ⅵ)濃度為100 mg·L-1，吸附后將溶液離心，測量上清液的吸光度，由繪制的Cr(Ⅵ)吸光度標準曲線計算吸附后Cr(Ⅵ)濃度。

(1)

式中：C0——初始Cr(Ⅵ)濃度，mg·L-1

C1——殘余Cr(Ⅵ)濃度，mg·L-1

Qv——吸附率，%

1.4 吸附實驗

實驗用Cr(Ⅵ)溶液濃度為100 mg·L-1，調節(jié)Cr(Ⅵ)溶液的pH值(用HNO3和NaOH溶液)，采用控制變量法，分別在不同投加量、溫度、pH、時間下做吸附實驗。

實驗步驟：量取上述配制的Cr(Ⅵ)溶液100 mL置于燒杯中，按實驗具體所需稱取制得的烘干研磨后的Fe3O4-蛭石復合材料一定量加入燒杯中，在恒溫水浴攪拌器中以1000 r·min-1反應2 h，再在高速離心機中以5000 r·min-1的速度離心5 min后分離上清液測量吸光度。利用不同濃度Cr(Ⅵ)的吸光度標準曲線計算Cr(Ⅵ)吸附量。

1.5 對比實驗

在最佳實驗條件進行膨脹蛭石與復合材料吸附的對比實驗。分別取Cr(Ⅵ)溶液100 mL置于燒杯中，以吸附劑添加量為變量，在最佳實驗條件下比較兩種材料在相同的吸附條件下對Cr(Ⅵ)的吸附效果。

2 結果與討論

2.1 不同濃度的Cr(Ⅵ)吸光度標準曲線

分別配制濃度為5、7、9、11、13、15 mg·L-1的Cr(Ⅵ)溶液，測量他們的吸光度，并對所得數(shù)據(jù)做圖得到Cr(Ⅵ)的吸光度標準曲線。結果如圖1所示。

圖1 Cr(Ⅵ)不同濃度的吸光度Fig.1 Absorbance of different concentrations of Cr(VI)

2.2 Fe3O4-蛭石復合材料的添加量實驗

當pH為6，吸附2 h，吸附溫度為30 ℃，考察Fe3O4-蛭石復合材料投加量對Cr(Ⅵ)的吸附效果的影響。隨著吸附劑投加量的增大，Cr(Ⅵ)的吸附量迅速增大，當投加量為0.2 g時，去除率達到97.5%。Cr(Ⅵ)的吸附效率最大且達到吸附平衡。原因為隨著投放量的增大，表面可吸附點位隨之增多，Cr(Ⅵ)與復合材料表面發(fā)生有效碰撞的幾率變大，故使得金屬離子更易與吸附位點結合，從而使得吸附效果大大提高。

圖2 投加量對吸附Cr(Ⅵ)的影響Fig.2 Effect of dosage on adsorption of Cr(VI)

2.3 溫度對Fe3O4-蛭石復合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響

當pH為6，吸附2 h，F(xiàn)e3O4-蛭石復合材料投加量為0.2 g，考察吸附溫度對Cr(Ⅵ)的吸附效果的影響。由圖3可知當溫度偏低時吸附效率隨溫度的增大而增大，溫度為30 ℃時，F(xiàn)e3O4-蛭石復合材料的吸附率達到97.2%。溫度繼續(xù)升高，吸附量變化不大，吸附達到平衡。這是因為在合適的溫度區(qū)間內，溫度越高，溶液中的Cr(Ⅵ)和Fe3O4-蛭石復合材料顆粒的熱運動加劇，活性位點增多，同時提高了Cr(Ⅵ)碰撞到活性位點的機會，增大了吸附效率。

圖3 溫度對Fe3O4-蛭石復合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響Fig.3 Effect of temperature on adsorption of Cr(VI) on Fe3O4- vermiculite composites

2.4 pH值對Fe3O4-蛭石復合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響

當Fe3O4-蛭石復合材料投加量為0.2 g，吸附2 h，吸附溫度為30 ℃，考察PH對Cr(Ⅵ)的吸附效果的影響。由圖4可知，pH值會通過影響溶液中的H+濃度和吸附劑表面電荷從而影響吸附效果。當pH值<4時，Cr(Ⅵ)的吸附效果偏低，這是由于在吸附過程中溶液中高濃度的H+與Cr(Ⅵ)存在競爭和排斥的作用，導致活性位點部分被H+占據(jù)。pH值的升高，H+濃度降低，去質子化作用明顯，Cr(Ⅵ)的競爭優(yōu)勢增加。當pH為6時，Cr(Ⅵ)吸附率最大為98%。堿性過大時會破壞膨脹蛭石的晶格結構，故復合材料吸附Cr(Ⅵ)時的pH值不應過大或過小。

圖4 pH值對Fe3O4-蛭石復合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響Fig.4 Effect of pH on adsorption of Cr(VI) on Fe3O4-valve composite

2.5 反應時間對Fe3O4-蛭石復合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響

當Fe3O4-蛭石復合材料投加量為0.2 g，pH為6，吸附溫度為30 ℃，考察吸附時間對Cr(Ⅵ)的吸附效果的影響。由圖5可知該復合材料對Cr(Ⅵ)的吸附能力較強，2 h時即可達到吸附平衡。這是因為吸附剛發(fā)生時，吸附劑表面的活性吸附位點較多，溶液中Cr(Ⅵ)濃度高，發(fā)生有效碰撞的機會大，溶液中的Cr(Ⅵ)迅速被吸附，故Fe3O4-蛭石復合材料在短時間內即可以取得很好的吸附效果，這為快速去除重金屬離子提供了一個良好的思路。

圖5 時間對Fe3O4-蛭石復合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響Fig.5 Effect of time on adsorption of Cr(VI) on Fe3O4- vermiculite composites

2.6 蛭石和Fe3O4-蛭石復合材料吸附性能對比

由圖6可知，在相同的吸附條件下復合材料的吸附性能明顯優(yōu)于膨脹蛭石，這是因為Fe3O4其本身具備很強的重金屬離子吸附能力，將其負載在膨脹蛭石表面時增大了吸附表面積和活性吸附位點，復合材料顆粒與Cr(Ⅵ)發(fā)生有效碰撞的機會增多，吸附效果增大，而且磁性Fe3O4使得吸附劑發(fā)生絡合反應的能力增加，可使表面絡合物吸附更多的重金屬離子，與溶液中的陽離子發(fā)生更多的離子交換形成同晶型效應電荷吸附，故Fe3O4-蛭石復合材料對Cr(Ⅵ)的吸附性能大大提高。Fe3O4具有良好的磁性有助于吸附材料從溶液中分離，從而脫附回收。

圖6 蛭石和Fe3O4-蛭石復合材料對Cr(Ⅵ)的吸附曲線Fig.6 Adsorption curve of Cr(VI) on vermiculite and Fe3O4-vermiculite composites

3 結 論

蛭石具有較強的吸附性能，通過離子交換和物理吸附達到吸附效果。本實驗通過在膨脹蛭石表面負載Fe3O4增大了吸附表面積和陽離子濃度，增加了復合材料吸附Cr(Ⅵ)的能力，實驗效果良好。學生通過創(chuàng)新實驗探究了物理化學教材中吸附條件對吸附過程的影響，加深了對課本知識的理解。