基于單因素法的蛭石對(duì)模擬廢水中銅離子的吸附性能

王 凱

(國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司，新疆 哈密 839000)

蛭石是一種天然、無(wú)毒硅酸鹽礦物質(zhì)，晶體結(jié)構(gòu)為單斜晶系，外形類(lèi)似云母，具有離子交換能力[1-3]。2000年，世界的蛭石總產(chǎn)量超過(guò)50萬(wàn)t。最主要的出產(chǎn)國(guó)是中國(guó)、南非、澳大利亞、津巴布韋和美國(guó)[4-5]。

蛭石具有優(yōu)良的吸附、陽(yáng)離子交換和熱膨脹性能，被廣泛應(yīng)用于建筑、環(huán)保、農(nóng)牧業(yè)和園藝等領(lǐng)域[6]。蛭石對(duì)環(huán)境不存在危害，主要作為初級(jí)和低附加值材料應(yīng)用，資源沒(méi)有得到充分利用[7-8]。而新疆尉犁且干布拉克蛭石礦是世界上少有的幾個(gè)超大型蛭石礦床之一，研究蛭石的性能及其在工業(yè)領(lǐng)域，特別是吸附領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)于如何開(kāi)發(fā)利用好這種非金屬礦具有重要意義[9-10]。

1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

1.1 試劑

實(shí)驗(yàn)所用試劑如表1所示。

表1 主要實(shí)驗(yàn)試劑Tab.1 The main chemical reagents

1.2 儀器

實(shí)驗(yàn)所用儀器見(jiàn)表2。

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器Tab.2 The main equipments

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 模擬廢水的配制

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.156 2 g硫酸銅(CuSO4·5H2O)，用水溶解后，移入1 000 mL容量瓶中，用水稀釋并定容，搖勻。得到質(zhì)量濃度為40 mg/L的模擬含銅廢水。

2.2 靜態(tài)吸附試驗(yàn)

在一定濃度的廢水中，加入一定量的蛭石粉，調(diào)節(jié)廢水pH值，在一定水溫、攪拌速度下攪拌一定時(shí)間，離心分離，用分光光度法測(cè)定上清液中殘留的Cu2+濃度，計(jì)算蛭石對(duì)廢水中Cu2+的去除率。

2.3 重金屬離子吸附率的計(jì)算方法

實(shí)驗(yàn)中，蛭石作為吸附劑吸附重金屬離子的吸附率可由式(1)計(jì)算得出：

η=(C0-C)·100%/C0

(1)

式中：η——蛭石對(duì)重金屬離子的吸附率，%；C0——吸附前溶液含重金屬離子的濃度，mol/L；C——吸附后溶液含重金屬離子的濃度，mol/L。

3 結(jié)果與討論

3.1 投加量對(duì)蛭石吸附Cu2+的影響

分別稱(chēng)取0.05 g、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g和0.5 g共6組蛭石粉于50 mL錐形瓶，加入20 mL、pH值為7的40 mg/L的Cu2+溶液，分別于40 ℃下在水浴恒溫振蕩器中往復(fù)振蕩120 min；取出后，于3 500 r/min下離心10 min，取上清液，測(cè)定濃度，計(jì)算吸附率。繪制吸附率—投加量曲線，如圖1。

圖1 蛭石投加量對(duì)Cu2+去除率的影響Fig.1 Influence of vermiculite additive on the adsorption rate of Cu2+

由圖1可知，隨著蛭石用量的增加，Cu2+的去除率逐漸增加。投加量為15%時(shí)，Cu2+的吸附率趨于平緩，達(dá)到93%。之后投加量增加引起的吸附率變化幅度減弱，基本達(dá)到吸附平衡。

3.2 pH值對(duì)蛭石吸附Cu2+的影響

稱(chēng)取0.3 g蛭石于50 mL的錐形瓶中，加入20 mL、pH值分別為4、5、6、7、8和9的40 mg/L的Cu2+溶液，于40 ℃下在水浴恒溫振蕩器中往復(fù)振蕩120 min；取出后，于3 500 r/min下離心10 min，取上清液，測(cè)定濃度，并計(jì)算去除率。繪制吸附率—pH值曲線，如圖2。

圖2 pH值對(duì)Cu2+去除率的影響Fig.2 Influence of pH on the adsorption rate of Cu2+

由圖2可知，蛭石對(duì)Cu2+的吸附率隨著pH值的增大，先增加后減小。當(dāng)pH≤5時(shí)，Cu2+的吸附率隨著pH值的增大而增加，pH值=5～7時(shí)的吸附率達(dá)到最大，為94%左右；pH值>7以后，蛭石對(duì)Cu2+的吸附率呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)?，蛭石在酸性條件下凝聚性強(qiáng)，吸附后絮凝沉淀易分離，在堿性條件下絮凝性下降，造成分離困難，而且在強(qiáng)堿性條件下，生成的Cu(OH)2沉淀可能會(huì)堵塞一部分蛭石內(nèi)部的小孔，造成比表面積降低，吸附能力也就降低了。pH值在中性或弱酸性條件下對(duì)Cu2+吸附效率達(dá)到94.03%的最大值。

3.3 溫度對(duì)蛭石吸附Cu2+的影響

稱(chēng)取0.3 g蛭石于50 mL錐形瓶中，加入20 mL、pH值為7.0的40 mg/L的Cu2+溶液，分別于20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃和70 ℃下在水浴恒溫振蕩器中往復(fù)振蕩120 min；取出后，于3 500 r/min下離心10 min，取上清液，測(cè)定濃度，并計(jì)算去除率。繪制吸附率—溫度曲線，如圖3。

由圖3可以看出，蛭石對(duì)Cu2+的去除率隨水溫的升高先增大后減小，先增大是因?yàn)樯咚疁貢?huì)使Cu2+的熱運(yùn)動(dòng)增加，從而與蛭石接觸的機(jī)會(huì)變頻繁。同時(shí)，在高溫下蛭石的表面膨脹也有利于吸附。但是由于吸附反應(yīng)是放熱反應(yīng)，太高水溫不利于吸附的進(jìn)行，因此，Cu2+的去除率會(huì)隨水溫的持續(xù)升高而下降。從圖3可以看出，溫度為40 ℃時(shí)，蛭石對(duì)銅離子的吸附率為95%以上。

圖3 溫度對(duì)Cu2+去除率的影響Fig.3 The influence of temperature on the adsorption rate of Cu2+

3.4 吸附時(shí)間對(duì)蛭石吸附Cu2+的影響

稱(chēng)取0.3 g蛭石于50 mL的錐形瓶中，加入20 mL、pH值為7.0的40 mg/L的Cu2+溶液，分別于40 ℃下在水浴恒溫振蕩器中往復(fù)振蕩5 min、10 min、30 min、60 min、120 min、150 min；取出后，于3 500 r/min下離心10 min，取上清液，測(cè)定濃度，并計(jì)算去除率。繪制吸附率—吸附時(shí)間曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 時(shí)間對(duì)Cu2+去除率的影響Fig.4 The influnence of time on the adsorption rate of Cu2+

由圖4可知，蛭石對(duì)Cu2+的吸附隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，一定時(shí)間后吸附達(dá)到平衡。因此，吸附時(shí)間對(duì)蛭石吸附Cu2+的影響較明顯，當(dāng)吸附時(shí)間為120 min時(shí)，去除率為99.4%；吸附時(shí)間為150 min時(shí)，吸附率為99.5%，與吸附時(shí)間為120 min相差不大，證明已基本達(dá)到吸附平衡。這是因?yàn)椋谖匠跗?，隨吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，重金屬離子主要在固體物質(zhì)的分子表面和孔內(nèi)表面與其結(jié)合；而在吸附后期，受擴(kuò)散控制，重金屬離子主要在固體物質(zhì)的深孔內(nèi)界面與其結(jié)合，故吸附速率增長(zhǎng)速度減緩。為了實(shí)際操作中減少?gòu)U水與吸附劑的接觸時(shí)間，從而增加廢水處理量，采用120 min作為吸附Cu2+的最佳時(shí)間。

4 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)對(duì)蛭石吸附Cu2+的測(cè)定，從投加量、pH值、吸附溫度、吸附時(shí)間這四方面考察了各因素的影響情況，對(duì)最佳吸附條件的確定得出如下結(jié)論：當(dāng)投加量15%；pH值=7.0；吸附溫度40 ℃；吸附時(shí)間120 min時(shí)，對(duì)銅離子的吸附率高達(dá)99.5%以上。