黃磷渣制備二氧化硅吸附Pb2+的性能研究

劉慧娟

(貴州醫(yī)科大學(xué) 環(huán)境污染與疾病監(jiān)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550025)

貴州省磷礦資源豐富,每年超過600×104t[1]磷渣被遺棄并釋放出導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的磷及磷酸鹽。黃磷渣因含大量的SiO2、CaO因此可以用作生產(chǎn)水泥[2],但耗能大成本高。所以,黃磷渣合理的“資源化”潛在價(jià)值巨大。Pb2+有毒不可降解且易富集于食物,兒童攝入食物吸收高達(dá)75%的Pb2+[3],易累積于腦部引起頭痛昏迷毒性反應(yīng)。此外,Pb2+的毒害范圍涉及土壤酶活性和植被生理功能等領(lǐng)域。因此,Pb2+的有效去除直接關(guān)系到人體健康和環(huán)境友好,而常見的吸附法簡單高效,隨著水體Pb2+污染的日益加劇,低成本廢渣資源化的吸附材料深受研究者關(guān)注[4]。所以,建立二氧化硅去除水體Pb2+修復(fù)體系,通過吸附沉淀作用有效降低Pb2+的遷移能力和生物有效性,具有獨(dú)特優(yōu)勢。

目前,廢渣資源化制備的SiO2去除水體Pb2+的報(bào)道較少,且集中于納米介孔復(fù)合材料的研究,其吸附Pb2+效果顯著但成本高回收差。因此,本文以黃磷渣為硅源制備SiO2,不僅踐行貴州“大扶貧、大數(shù)據(jù)、大生態(tài)”,更節(jié)約成本實(shí)現(xiàn)廢渣資源化。筆者采取硝酸酸浸黃磷渣法制備二氧化硅,運(yùn)用氫氧化鈉堿液沉淀雜質(zhì)法和硅烷偶聯(lián)劑KH570對(duì)其提純改性,并分析了不同影響條件下二氧化硅去除水體中Pb2+的能力,以期為二氧化硅吸附水體中Pb2+污染物研究和黃磷渣“資源化”綜合利用的發(fā)展前景提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 二氧化硅的制備純化及改性

按照液固比10∶1(mL∶g)的比例將黃磷渣風(fēng)干研磨過篩并加入15 mL硝酸75 ℃下反應(yīng)4 h;然后加入5 g NaOH,攪拌,充分反應(yīng)后75 ℃下加入3 g上述產(chǎn)品反應(yīng)2 h,并將濾液pH值調(diào)至7.5后洗滌,120 ℃烘干。調(diào)節(jié)pH值=4.9加入KH570超聲0.5 h攪拌12 h,加入2.000 g純化后的SiO2控制溫度75 ℃攪拌抽濾,無水乙醇洗滌烘干,得改性二氧化硅作為吸附劑。

1.2 形貌表征

采用SEM和FI-IR對(duì)改性二氧化硅表征。

1.3 Pb2+的吸附試驗(yàn)

精確稱取不同質(zhì)量的吸附劑于帶蓋的離心管中,量取100 mL不同系列濃度的Pb2+溶液,分別用CHCl=0.05 mol/L和CNaOH=0.05 mol/L調(diào)節(jié)pH值,20%平行樣;設(shè)定不同溫度在恒溫震蕩箱中振蕩一定時(shí)間,然后進(jìn)行離心取上清液樣品,用石墨爐測定Pb2+濃度。計(jì)算吸附容量q:

(1)

式中,q為二氧化硅的吸附容量(mg/g);po和pt分別為初始和吸附t時(shí)刻Pb2+質(zhì)量濃度(mg/L);V為吸附溶液體積(mL);m為吸附劑的質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與討論

2.1 二氧化硅分析表征

2.1.1 FI-IR分析

由圖譜1可知,3 440,1 620 cm-1處發(fā)現(xiàn)-OH、H-O-H,1 080,798 cm-1處有Si-O-Si、Si-O-Si振動(dòng)峰,表明所制備材料為二氧化硅[5],其表面的羥基與KH570形成Si-O鍵或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);2 906 cm-1處出現(xiàn)的-CH2吸收峰和1 708 cm-1處出現(xiàn)C=O伸縮振動(dòng)[6]是SiO2被KH570接枝導(dǎo)致的。

圖1 改性二氧化硅FI-IR譜圖

2.1.2 SEM分析

圖2為改性二氧化硅的SEM圖譜。由圖2可知,改性二氧化硅的孔道結(jié)構(gòu)尺度等級(jí)不同、比表面積大,硅烷偶聯(lián)劑對(duì)其改性后主要以不同粒徑顆粒狀分布。改性二氧化硅相對(duì)比較分散,KH570的作用破壞了二氧化硅表面的氫鍵結(jié)合,使其分散性較好從而改善界面的結(jié)合,削弱了產(chǎn)品沉降聚集為大顆粒能力。同時(shí)發(fā)現(xiàn),圖譜的微粒表面疏松多孔[7]有顆粒狀物質(zhì),說明KH570會(huì)吸附在二氧化硅粒子表面,進(jìn)一步阻礙粒子的沉淀團(tuán)聚。

圖2 改性二氧化硅SEM圖

2.2 不同因素對(duì)Pb2+吸附容量的影響

2.2.1 吸附時(shí)間對(duì)吸附容量的影響

溶液中的Pb2+占據(jù)到吸附劑的活性點(diǎn)不是一蹴而就的,需要循序漸進(jìn),所以吸附時(shí)間對(duì)吸附效果至關(guān)重要。因此,調(diào)節(jié)恒溫震蕩箱溫度為40 ℃,探討相同初始Pb2+濃度和吸附劑量條件下,不同梯度的吸附時(shí)間吸附劑對(duì)Pb2+的吸附容量的影響,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,吸附過程在較短時(shí)間內(nèi)很快達(dá)到平衡,這種現(xiàn)象可能是由于改性二氧化硅的多孔結(jié)構(gòu)造成的[8],有利于Pb2+的移動(dòng)與螯合,說明改性二氧化硅對(duì)Pb2+具有較好的捕捉能力。5 min

圖3 吸附時(shí)間對(duì)Pb2+吸附容量的影響

2.2.2 Pb2+溶液溫度對(duì)吸附容量的影響

t=30 min,初始Pb2+濃度和吸附劑量條件下,探究不同溫度下改性二氧化硅對(duì)Pb2+的吸附容量的影響,結(jié)果見圖4。由圖4可知, 25 ℃

圖4 吸附溫度對(duì)Pb2+吸附容量的影響

2.2.3 pH值對(duì)吸附容量的影響

T=40 ℃,C(Pb2+)=10 mg/L條件下,探究pH值對(duì)改性二氧化硅吸附Pb2+的影響,結(jié)果如圖5所示。當(dāng)2.06時(shí),出現(xiàn)難溶性的鉛形態(tài)難以吸附。所以,溶液酸堿度不僅影響改性二氧化硅的活性,還影響Pb2+在溶液中的存在形態(tài)。

圖5 pH值對(duì)Pb2+吸附容量的影響

2.2.4 Pb2+初始含量對(duì)吸附容量的影響

T=40 ℃,m吸附劑=0.1 g的條件下,探究Pb2+濃度對(duì)改性二氧化硅吸附Pb2+的影響,結(jié)果如圖6所示。當(dāng)520 mg/L時(shí),由于吸附劑位點(diǎn)受限導(dǎo)致Pb2+過剩。

圖6 Pb2+初始含量對(duì)吸附容量的影響

2.3 改性二氧化硅對(duì)Pb2+的等溫吸附行為

實(shí)驗(yàn)采用Langmuir和Freundlich模型探究改性二氧化硅對(duì)Pb2+的吸附行為,公式如下:

Langmuir方程式:

(2)

Freundlich方程式:

式中,qe:平衡吸附容量(mg/g);qm:飽和吸附容量(mg/g),pe:Pb2+的平衡濃度(mg/L);b、KF、n均為相關(guān)常數(shù)。

圖7 改性二氧化硅吸附Pb2+的Langmuir方程

圖8 改性二氧化硅吸附Pb2+的Freundlich方程

3 結(jié)論

通過黃磷渣資源化制備改性SiO2,建立水體Pb2+修復(fù)去除方法可行且優(yōu)勢獨(dú)特。制備得到的改性二氧化硅作為吸附劑,吸附時(shí)間、溫度、pH值和Pb2+初始含量等因素對(duì)吸附容量均具有較好效果。改性SiO2對(duì)Pb2+屬于單層吸熱吸附,符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。