三聚硫氰酸三鈉鹽對(duì)水溶液中Cd2+、Hg2+的吸附研究

郭巧靜

(山西省化工研究所(有限公司) , 山西 晉中 030600)

隨著重工業(yè)的迅速發(fā)展，各類(lèi)環(huán)境污染也接踵而來(lái)，尤其是重金屬污染，有毒且難以降解，同時(shí)能夠通過(guò)食物鏈在人體內(nèi)堆積，嚴(yán)重威脅到人類(lèi)的生存發(fā)展，對(duì)重金屬污染的治理是現(xiàn)在社會(huì)亟待解決的問(wèn)題[1]。三聚硫氰酸三鈉鹽(TMT)是一種環(huán)境友好的重金屬離子吸附劑，無(wú)毒、無(wú)味，用量小，使用便捷高效，基本不產(chǎn)生二次污染，能夠與重金屬離子螯合生成難溶于水且化學(xué)穩(wěn)定的化合物[2-3]。在重金屬離子治理方面具有廣泛的應(yīng)用。

本文采用實(shí)驗(yàn)室自制的三聚硫氰酸三鈉鹽作為吸附劑，研究了三聚硫氰酸三鈉鹽對(duì)重金屬離子Cd2+、Hg2+的吸附性能，考察了吸附劑(TMT)的使用量、pH值、溫度、吸附時(shí)間等因素對(duì)吸附性能的影響。同時(shí)，還使用EDS能譜儀對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的沉淀物進(jìn)行了元素分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：三聚硫氰酸三鈉鹽，實(shí)驗(yàn)室自制；氯化鎘，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氯化汞，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；NaOH，分析純，天津市中泰化學(xué)試劑有限公司；鹽酸，36%，成都市科隆化學(xué)品有限公司。

儀器：集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，DF-101S，蘇州威爾實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；電動(dòng)攪拌器，DZ，傳通微電器有限公司；低速離心機(jī)，SC-3610，安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，ICP3000，江蘇天瑞；X射線(xiàn)能譜儀，EDS，美國(guó)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1對(duì)Cd2+、Hg2+的吸附試驗(yàn)

分別以氯化汞和氯化鎘為原料，配制濃度均為100 mg/L的Cd2+水溶液和Hg2+水溶液的儲(chǔ)備液備用。稱(chēng)取一定量的三聚硫氰酸三鈉鹽(TMT)于燒杯中，并在其中加入100 mL配備好的含鎘離子和汞離子的水溶液(以下實(shí)驗(yàn)溶液取樣均為100 mL)，密封后置于帶有磁力攪拌的恒溫水浴鍋中進(jìn)行攪拌吸附，吸附完成后對(duì)溶液進(jìn)行離心分離，并取其上層清液，采用電感耦合等離子體法(ICP)，測(cè)定實(shí)驗(yàn)所得上清液中Cd2+、Hg2+離子的含量，并按照公式(1)計(jì)算其去除率。

(1)

式中：R,重金屬離子的去除率；c0，重金屬離子的初始濃度；c1，吸附后重金屬離子的殘余濃度。

1.2.2對(duì)沉淀物的分析表征

對(duì)吸附過(guò)程中產(chǎn)生的沉淀物進(jìn)行過(guò)濾、干燥處理，通過(guò)EDS能譜儀對(duì)其進(jìn)行元素分析。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 吸附劑的使用量對(duì)重金屬離子去除率的影響

以濃度均為100 mg/L的Cd2+、Hg2+的水溶液為對(duì)象，分別在多組燒杯中加入30、40、50、60、70 mg的吸附劑進(jìn)行吸附反應(yīng)?？疾煳絼┑氖褂昧繉?duì)重金屬離子去除率的影響。結(jié)果如圖1所示。

圖1 吸附劑的使用量對(duì)重金屬離子去除率的影響

從圖1可知，隨著吸附劑使用量的增加，重金屬離子的去除率逐步增大，當(dāng)吸附劑的使用量達(dá)到60 mg時(shí)，其去除效果達(dá)到最佳，之后逐步趨于平衡。這是因?yàn)槲絼┑氖褂昧枯^小時(shí)，與Cd2+和Hg2+進(jìn)行螯合的有效官能團(tuán)的數(shù)量較小，不能夠充分吸附Cd2+和Hg2+，因此對(duì)重金屬離子的去除率較低；隨著吸附劑使用量的增多，可與重金屬離子發(fā)生螯合反應(yīng)的吸附位點(diǎn)增多，重金屬離子的去除率逐漸增大。

2.2 溶液的pH值對(duì)重金屬離子去除率的影響

三聚硫氰酸三鈉鹽在水中有不同的存在形式，不同的pH值條件下，其存在形式不同，會(huì)影響吸附劑與重金屬的螯合反應(yīng)[4]。因此以濃度均為100mg/L的Cd2+、Hg2+的水溶液為對(duì)象，采用0.1mol/L的鹽酸和氫氧化鈉溶液將體系的pH值調(diào)節(jié)為4～8，并在其中投入60 mg吸附劑進(jìn)行吸附反應(yīng)，探討了重金屬離子溶液的pH值對(duì)去除率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 重金屬離子溶液的pH值對(duì)重金屬離子去除率的影響

從圖2可以看出，隨著pH值的增大，重金屬離子的去除率先增大，后減小。在pH值為7時(shí)，Cd2+、Hg2+的去除率均達(dá)到最大，分別為84.41%和88.02%。當(dāng)pH值較低時(shí)，兩種重金屬離子的去除率都比較低，這主要是因?yàn)閜H值<5時(shí)，三聚硫氰酸三鈉鹽在水中主要以(H3C3N3S3)0的形式存在，該形式下較難溶于水，因此較難與重金屬離子發(fā)生螯合反應(yīng)[4]。

2.3 吸附溫度對(duì)重金屬離子去除率的影響

一般情況下，重金屬離子的去除率隨著吸附溫度的升高而增大，這可能是因?yàn)橹亟饘匐x子的運(yùn)動(dòng)速度加快或者吸附劑表面活性位點(diǎn)增加造成的[5]。因此以濃度均為100 mg/L，pH值均為7的Cd2+、Hg2+的水溶液為對(duì)象，探討了不同吸附溫度下三聚硫氰酸三鈉鹽對(duì)Cd2+、Hg2+去除率的影響，同時(shí)探究該吸附過(guò)程的最佳溫度條件。結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，兩種重金屬離子的去除率均隨著溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。吸附溫度為20 ℃時(shí)，Hg2+的去除率達(dá)到最高，為97.44%。吸附溫度為30 ℃時(shí)，Cd2+的去除率達(dá)到最大，為98.88%。

圖3 吸附溫度對(duì)重金屬離子去除率的影響

2.4 吸附時(shí)間對(duì)重金屬離子去除率的影響

當(dāng)未達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，重金屬離子的吸附量隨著吸附時(shí)間的增加而增加。達(dá)到吸附平衡所需的時(shí)間越短，說(shuō)明該吸附劑吸附性能越好。綜上所述，對(duì)于濃度為100 mg/L的Cd2+、Hg2+的水溶液，吸附劑的使用量為60 mg，溶液的pH值為7，吸附溫度為30 ℃時(shí)，重金屬離子的去除效果最佳。因此，考察了該條件下，吸附時(shí)間對(duì)其去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 吸附時(shí)間對(duì)重金屬離子去除率的影響

從圖4可知，重金屬離子的去除率隨著吸附時(shí)間的增加逐漸增大并趨于平衡。吸附時(shí)間達(dá)到5 h時(shí)，重金屬離子的去除率達(dá)到最大。這是因?yàn)槲綍r(shí)間比較短時(shí)，不能夠充分吸附水中的Cd2+和Hg2+，因此去除率也比較低。隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，吸附位點(diǎn)逐漸達(dá)到了飽和，所以即使繼續(xù)延長(zhǎng)吸附時(shí)間，其去除率也不會(huì)繼續(xù)增加[6]。

3 沉淀產(chǎn)物的能譜儀分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)中收集到的沉淀產(chǎn)物進(jìn)行了EDS分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知：①當(dāng)用三聚硫氰酸三鈉鹽(TMT)對(duì)含有重金屬離子Cd2+的溶液進(jìn)行處理后，在過(guò)濾后所得的沉淀產(chǎn)物中可以測(cè)量到Cd元素的存在，證明TMT確實(shí)吸附了重金屬離子Cd2+。②當(dāng)用三聚硫氰酸三鈉鹽(TMT)對(duì)含有重金屬離子Hg2+溶液進(jìn)行處理后，在過(guò)濾后所得的沉淀產(chǎn)物中可測(cè)量到Hg元素的存在，證明Hg2+被成功吸附。

圖5 吸附Cd2+沉淀產(chǎn)物的EDS圖譜

圖6 吸附Hg2+沉淀產(chǎn)物的EDS圖譜

4 結(jié)論

本研究確定了三聚硫氰酸三鈉鹽對(duì)水體中的重金屬離子Cd2+、Hg2+的最優(yōu)吸附條件，當(dāng)三聚硫氰酸三鈉鹽的使用量為60 mg，pH值為7，吸附時(shí)間為5 h時(shí)，吸附效果最佳；并且吸附溫度為30 ℃時(shí)，Cd2+的去除率達(dá)到最高，為98.88%；吸附溫度為20 ℃時(shí)，Hg2+的去除率達(dá)到最高，為97.44%。通過(guò)EDS能譜儀對(duì)吸附過(guò)程中產(chǎn)生的沉淀物進(jìn)行元素分析，可以檢測(cè)到沉淀物中有Cd和Hg元素的存在，證明Cd2+和Hg2+被成功吸附。