硅膠吸附劑對(duì)廢水中Pb2+、Cd2+的吸附性能試驗(yàn)研究

向求來(lái)，李 郁，劉 碩

（湖南有色金屬研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

環(huán)境中的重金屬污染會(huì)直接危害人體健康，并導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量惡化，已經(jīng)引起世界各國(guó)的高度重視。近年來(lái)，研究人員研究了各種吸附劑對(duì)廢水中重金屬離子的吸附分離，因此吸附分離技術(shù)有了很大的發(fā)展，并且在處理重金屬?gòu)U水中得到了廣泛的實(shí)踐應(yīng)用。吸附原理為利用多孔性固體吸附劑與吸附質(zhì)直接發(fā)生吸附作用力，從而實(shí)現(xiàn)吸附、分離重金屬離子的目的。根據(jù)吸附作用力性質(zhì)的不同，可將吸附分為三類：物理吸附，由分子間作用力而產(chǎn)生吸附分離；化學(xué)吸附，由化學(xué)鍵力引起吸附分離；交換吸附，溶質(zhì)的離子由于靜電引力而匯聚在吸附劑表面的帶電點(diǎn)上并置換出原來(lái)固定在這些帶電點(diǎn)上的其他離子[1]。常用的吸附劑有腐植酸類吸附劑、碳類吸附劑、礦物吸附劑、高分子吸附劑、生物材料吸附劑等[2]。

礦物吸附法作為含重金屬的廢水處理技術(shù)，具有材料來(lái)源廣、操作簡(jiǎn)單、去除效率高而被廣泛應(yīng)用。Leppert研究證實(shí)斜發(fā)沸石對(duì)Pb2+有很強(qiáng)的親和力，吸附能力為55.4 mg/g[3]；陳錫珉等[4]應(yīng)用改良斜發(fā)沸石去除鍍鋅鈍化廢水效果很好；邵紅等[5]以鈉基膨潤(rùn)土為原料制備鐵硅交聯(lián)膨潤(rùn)土，對(duì)模擬廢水中的Cr6+去除率達(dá)87.55%。硅膠屬于礦物吸附劑，本試驗(yàn)探索利用硅膠吸附劑吸附廢水中的Pb2+、Cd2+，通過試驗(yàn)對(duì)不同型號(hào)的硅膠吸附劑進(jìn)行篩選，并進(jìn)一步試驗(yàn)得到硅膠吸附劑對(duì)Pb2+、Cd2+的最佳吸附條件及飽和吸附量，也為含重金屬?gòu)U水的處理提供了參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料、試劑、設(shè)備及吸附劑材料

試驗(yàn)廢水：A為含重金屬?gòu)U水，Pb2+濃度為10.4 mg/L、Cd2+濃度為3.1 mg/L，pH值為6～7；B為冶煉廠廢水，Pb2+濃度為10.4 mg/ L、Cd2+濃度為121 mg/L，pH值為2；C為含重金屬?gòu)U水，Pb2+濃度為0.6 mg/L、Cd2+濃度為2.86 mg/L，pH值為6.7。

試劑：鹽酸（HCl）、氫氧化鈉（NaOH），均為分析純；去離子水。

設(shè)備：HM202電子分析天平、ZR4-6混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)、pH211A型精密酸度計(jì)、pH S-3C型pH計(jì)、Varian715-ES電感耦合等離子體光譜發(fā)生儀等。

吸附劑材料：PQ-R型硅膠、PQ-P型硅膠、PQ-D型硅膠，比表面積依次為：PQ-R型硅膠＜PQ-P型硅膠＜PQ-D型硅膠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

每個(gè)試驗(yàn)對(duì)象取500 mL廢水，稱取一定量的硅膠吸附劑，加入到試驗(yàn)對(duì)象廢水中，置于混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)上攪拌60 min，反應(yīng)結(jié)束后靜置20 min，采用中速定量分析過濾紙過濾，取濾液的上清液測(cè)定其中Pb2+、Cd2+濃度。去除率計(jì)算公式如下：

式中：η為吸附去除率，%；C0和C分別為吸附前后溶液中Pb2+、Cd2+濃度，mg/L。

平衡吸附量計(jì)算公式如下：

式中：qe為平衡吸附量，mg/g；Co和Ce分別為吸附前后溶液中Pb2+、Cd2+的濃度，mg/L；W為吸附劑量，g。

試驗(yàn)組合：①分別取三種吸附劑各25 g，分別對(duì)三個(gè)500 mL的A含重金屬?gòu)U水進(jìn)行吸附，考察吸附效果；②取非過量的效果最好的吸附劑對(duì)調(diào)整成不同pH值的B冶煉廠廢水進(jìn)行吸附，考察最佳pH值條件；③取效果最好的吸附劑，依次取用量為0.02 g/ L、0.05 g/L、0.2 g/L、1 g/L、5 g/L、15 g/L、25 g/L，試驗(yàn)考察飽和吸附量。

2 硅膠吸附劑對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附過程

2.1 吸附劑的選擇

在試驗(yàn)組合①的條件下，PQ-R型、PQ-P型、PQ-D型吸附劑分別對(duì)A含重金屬?gòu)U水的吸附效果詳見表1。

表1 三種吸附劑分別對(duì)A含重金屬?gòu)U水的吸附效果

由表1可知，PQ-R型硅膠對(duì)廢水中Pb2+、Cd2+吸附效果最差，幾乎無(wú)吸附效果；PQ-P型硅膠對(duì)廢水中Pb2+吸附效果較好，但對(duì)Cd2+幾乎無(wú)吸附效果；PQ-D型硅膠對(duì)廢水中Pb2+、Cd2+吸附效果最好，吸附去除率達(dá)到99.7%以上，吸附處理后的廢水中Pb2+、Cd2+均達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978-1996）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

三種吸附材料中，PQ-D型比表面積最大，PQ-P型次之，PQ-R型最小，故比表面積越大的硅膠吸附劑對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附性能越好。

接下來(lái)的試驗(yàn)采用PQ-D型硅膠吸附劑，考察pH值最佳吸附條件及飽和吸附量。

2.2 溶液pH值對(duì)吸附效果的影響

在室溫25℃、試驗(yàn)組合②的條件下，考察溶液pH值對(duì)吸附廢水中Pb2+、Cd2+的影響。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 pH值對(duì)硅膠吸附Pb2+、Cd2+的影響

溶液的pH值是影響吸附效果的重要因素，在pH值＜6的條件下Pb2+、Cd2+的去除率較小；當(dāng)pH值大于7時(shí)，吸附率又降低；當(dāng)pH值為6～7時(shí)，硅膠吸附劑對(duì)Pb2+、Cd2+的去除率最大，吸附效果最好。

2.3 飽和吸附量

在試驗(yàn)組合③的條件下，調(diào)整C廢水的pH值為6.5，考察PQ-D型硅膠對(duì)廢水中Pb2+、Cd2+的飽和吸附量。吸附劑的不同用量對(duì)C廢水中重金屬Pb2+、Cd2+的吸附效果詳見表2。

表2 吸附劑的不同用量對(duì)C廢水中重金屬Pb2+、Cd2+的吸附效果

PQ-D型硅膠對(duì)廢水中Pb2+、Cd2+的最大吸附限值濃度分別為0.02 mg/L、0.007 mg/L，可達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978-1996）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。在pH值為6.5的最佳吸附條件下，PQ-D型硅膠對(duì)廢水中Pb2+、Cd2+的飽和吸附量分別約為10.5 mg/g、16.5 mg/g。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究了硅膠吸附劑對(duì)廢水中Pb2+、Cd2+的吸附性能，探討了硅膠材料的比表面積、pH值、吸附劑用量等對(duì)吸附效果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）影響吸附效果的因素有吸附材料的比表面積、溶液初始pH值、吸附劑用量等。比表面積越大的硅膠吸附劑對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附效果越好。PQ D型硅膠吸附性能明顯優(yōu)于PQ R型和PQ P型。

（2）pH值是影響吸附的重要因素，在pH＜6的條件下，Pb2+、Cd2+的去除率較?。籶H值＞7時(shí)，吸附率降低；當(dāng)pH值為6～7時(shí)，硅膠吸附劑對(duì)Pb2+、Cd2+的去除效果最好。

（3）當(dāng)pH值為6.5、吸附時(shí)間60 min、靜止時(shí)間20 min、吸附劑用量足夠時(shí)，PQ-D型硅膠對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附去除率達(dá)到99.7%以上，吸附處理后的廢水中Pb2+、Cd2+均達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978-1996）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。PQ D型吸附劑對(duì)廢水中Pb2+、Cd2+的最大吸附限值濃度分別為 0.02 mg/L、0.007 mg/ L，對(duì)Pb2+、Cd2+的飽和吸附量分別約為10.5 mg/g、16.5 mg/g。