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        pH、離子強(qiáng)度、時(shí)間和溫度對(duì)Cd(Ⅱ)在伊利石上吸附的影響

        2012-01-05 03:54:49陳元濤池亞玲郭智軍
        核化學(xué)與放射化學(xué) 2012年6期
        關(guān)鍵詞:伊利石等溫線動(dòng)力學(xué)

        劉 霞,陳元濤,*,胡 君,張 煒,池亞玲,郭智軍,肖 江

        1.青海師范大學(xué) 化學(xué)系,青海 西寧 810008;2.中國(guó)科學(xué)院 等離子體物理研究所,安徽 合肥 230031

        隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展,工業(yè)廢水中的重金屬造成的環(huán)境污染具有不可逆性和長(zhǎng)期性,嚴(yán)重威脅著全球生態(tài)系統(tǒng)及人類健康,各國(guó)現(xiàn)已將重金屬元素列為環(huán)境中的優(yōu)先控制污染物。鎘普遍存在于工業(yè)廢水中,它是毒性最強(qiáng)、移動(dòng)性最大的重金屬之一,被美國(guó)毒物管理委員會(huì)列為第6位危及人體健康的有毒物質(zhì)。另外109Cd(Ⅱ)是一種高毒性放射性核素。因此,對(duì)重金屬復(fù)合污染的研究十分必要。黏土礦物作為環(huán)境自凈化劑,其吸附性能在治理環(huán)境污染的自凈化工程研究中受到了廣泛的關(guān)注[1-5]。鎘作為當(dāng)今重金屬水污染中的主要污染物之一,國(guó)內(nèi)外已利用各種黏土對(duì)鎘進(jìn)行吸附,如:累托石、膨潤(rùn)土、針鐵石和蒙脫土等[6-9],并均有良好的吸附效果,但用伊利石去除鎘的報(bào)道卻很少,本實(shí)驗(yàn)以伊利石為吸附劑,主要研究pH值、離子強(qiáng)度、時(shí)間及溫度等因素對(duì)Cd(Ⅱ)在伊利石上吸附的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        伊利石,購自成明伊利石公司,化學(xué)組成為K0.75(Al1.75R)[Si3.5Al0.5O10](OH)2,是一種富含鉀、高鋁的層狀含水硅酸鹽礦物,其層間區(qū)域中存在著可交換的水合陽離子和水。實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純,且所有試劑均用二次蒸餾水配制。

        1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

        AL204型電光分析天平(感量0.000 1 g)、pH-3B型精密pH計(jì),上海梅特勒-托利多儀器有限公司;722型分光光度計(jì),上海光譜儀器有限公司;微量可調(diào)移液器,北京青云卓立精密設(shè)備有限公司;LG10-2.4A型高速離心機(jī),北京醫(yī)用離心機(jī)廠。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        1.3.1吸附實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)批式法,在聚乙烯離心管中加入一定量的伊利石懸浮液和Cd(Ⅱ)溶液,分別用0.001、0.01、0.1 mol/L NaClO4調(diào)節(jié)離子強(qiáng)度,用微量的HClO4或NaOH調(diào)節(jié)體系的pH至所需值。振蕩24 h,待吸附達(dá)到平衡后,在8 000 r/min下離心10 min,取一定體積的上清液,用分光光度法測(cè)定上清液中Cd(Ⅱ)的濃度。伊利石吸附Cd(Ⅱ)的量從吸附初始和平衡后兩者的差值計(jì)算得到。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是3次實(shí)驗(yàn)的平均值,數(shù)據(jù)相對(duì)誤差約為5%。

        1.3.2數(shù)據(jù)處理 Cd(Ⅱ)的吸附率(Y)計(jì)算公式為:

        (1)

        式中:c0是Cd(Ⅱ)的初始濃度,mol/L;ce是吸附平衡后上清液中Cd(Ⅱ)的濃度,mol/L。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 pH和離子強(qiáng)度對(duì)Cd(Ⅱ)吸附的影響

        (2)

        (3)

        (4)

        當(dāng)pH值升高時(shí),Cd(Ⅱ)的水解程度隨著溶液中的OH-濃度增高而增加,Cd(Ⅱ)的吸附率也隨之增加,這表明Cd(Ⅱ)在伊利石表面的吸附主要是由表面絡(luò)合反應(yīng)引起的,而非內(nèi)層絡(luò)合[11-12]。

        離子強(qiáng)度是影響Cd(Ⅱ)在伊利石上吸附的另一重要因素。從圖1(a)還可以看出,當(dāng)pH<7.5時(shí)Cd(Ⅱ)的吸附率受離子強(qiáng)度影響較大,可以推斷出在此pH范圍內(nèi)Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附主要是通過外層絡(luò)合或通過與占據(jù)了吸附劑表面位的H+或者Na+進(jìn)行離子交換來實(shí)現(xiàn)[13],在此pH范圍內(nèi),Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附率緩慢增加,并且在高濃度的NaClO4溶液中Cd(Ⅱ)的吸附率比在低濃度的NaClO4溶液中的要小,這一現(xiàn)象也證明了上面的吸附理論;當(dāng)pH=7.5~9時(shí),受離子強(qiáng)度影響較小;當(dāng)pH>9時(shí),吸附率不受影響。

        圖1 不同離子強(qiáng)度下pH對(duì)伊利石吸附Cd(Ⅱ)的影響

        圖1(b)是描述lgKd隨pH變化的曲線,從圖中可以看出:pH<7.5時(shí),lgKd隨pH的升高而增大;當(dāng)pH>7.5時(shí),lgKd保持不變。由圖1(c)可知,ce隨pH升高而迅速降低,最后保持平衡不變。Kd表達(dá)式如下:

        (5)

        式中:Cs是Cd(Ⅱ)在吸附劑上的平衡濃度,mol/g;V是懸浮液的總體積,mL;m是吸附劑的質(zhì)量,g。

        圖2 吸附時(shí)間對(duì)Cd(Ⅱ)吸附的影響和伊利石吸附Cd(Ⅱ)的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(內(nèi)圖)

        2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)Cd(Ⅱ)吸附的影響及其動(dòng)力學(xué)特征

        反應(yīng)時(shí)間對(duì)Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附影響示于圖2。由圖2可知,Cd(Ⅱ)的吸附率隨著反應(yīng)時(shí)間增加而迅速增大,在反應(yīng)5 h時(shí)吸附率達(dá)到最大并隨時(shí)間增加保持不變。吸附在幾小時(shí)內(nèi)就達(dá)到平衡,這表明Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附主要是化學(xué)吸附而非物理吸附[14-15]。Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)二階方程為:

        Lagrange準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型:

        (6)

        式中qt和qe分別是吸附t時(shí)和吸附平衡時(shí)的吸附量,mg/g;t為吸附時(shí)間,h;k′為二級(jí)吸附速率常數(shù),g/(mg·h)。t/qt-t的線性擬合結(jié)果示于圖2內(nèi)插圖,相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以從公式(6)中求得:qe=4.754 mg/g,k′=0.246 g/(mg·h),r2=0.999,數(shù)據(jù)表明準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型可以很好的擬合Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附動(dòng)力學(xué)。因此,本實(shí)驗(yàn)對(duì)混合懸濁液振蕩24 h完全可使吸附實(shí)驗(yàn)達(dá)到平衡。

        2.3 溫度對(duì)Cd(Ⅱ)吸附的影響及其吸附熱力學(xué)

        圖3 3種溫度下Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附等溫線

        溫度是影響Cd(Ⅱ)在伊利石上吸附的又一重要因素,本實(shí)驗(yàn)分別在288、303、323 K下對(duì)其進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)條件為:m/V=2.4 g/L,c0(NaClO4)=0.01 mol/L,pH=6.04±0.01。實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖3。由圖3可以看出,Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附率隨著溫度的升高而增大,表明在該實(shí)驗(yàn)條件下升高溫度有利于吸附。為了更好的證明以上觀點(diǎn),分別用Langmuir、Freundlich和D-R(Dubini-Radushkevich)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果示于圖4,擬合的相關(guān)參數(shù)列于表1。

        圖4 3種溫度下Cd(Ⅱ)在伊利石上吸附的3種吸附模型

        表1 不同溫度下Langmuir、Freundlich和D-R模型的擬合參數(shù)

        Langmuir等溫線方程為:

        (7)

        式中Csmax是單分子層飽和吸附量,mol/g;b是Langmuir常數(shù),L/mol。

        由圖4(a)可知,ce/Cs對(duì)ce呈線性關(guān)系,3種溫度下的r2分別為0.999、0.999、0.998。這表明伊利石對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附吻合于Langmuir等溫線方程;并且吸附主要發(fā)生在伊利石表面的活性區(qū)位,屬于單層吸附[16]。

        Freundlich等溫線方程為:

        (8)

        式中:KF(mol1-n·Ln/g)和n是Freundlich常數(shù)。

        由圖4(b)和表1可知,n值介于0~1之間,表明所選定的吸附條件有利于伊利石對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附。但圖4(b)r2僅為0.986、0.984和0.964,這說明Langmuir等溫線方程比Freundlich等溫線方程更吻合伊利石對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附過程。

        Dubinin-Radushkevich(D-R)等溫線方程:

        lnCs=lnCsmax-βε2

        (9)

        式中:β是與吸附能有關(guān)的常數(shù),mol2/kJ;ε是Polanyi活化能,ε表達(dá)式為:

        (10)

        由圖4(c)可知,r2分別為0.989、0.987、0.976。說明Langmuir等溫線方程比D-R等溫線方程更吻合伊利石對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附過程。平均吸附自由能E(kJ/mol)表達(dá)式如下:

        (11)

        平均吸附自由能E的大小可以反映該機(jī)制是物理吸附還是化學(xué)吸附。若E<8 kJ/mol,表明該吸附是物理吸附;若8

        2.4 伊利石對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附熱力學(xué)特征

        (12)

        (13)

        圖5 Cd(Ⅱ)在伊利石上吸附的熱力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)

        表2 Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附熱力學(xué)參數(shù)

        3 結(jié) 論

        (1)pH值和離子強(qiáng)度對(duì)Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附都有明顯影響,在pH=2~6時(shí),Cd(Ⅱ)的吸附率隨pH的升高而增加,隨離子強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低。

        (2)Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附在5 h內(nèi)達(dá)到吸附平衡,吸附過程服從準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型。

        (3)Cd(Ⅱ)在伊利石上的吸附是自發(fā)吸熱過程,并且該吸附符合Langmuir等溫線。

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