張 超 李建華 蔡貝珊

(1.中國神華能源股份有限公司神東煤炭分公司石圪臺(tái)煤礦地質(zhì)科，陜西榆林 719315;2.龍巖安居住宅建設(shè)有限公司，福建龍巖 364000)

錳是一種廣泛存在于自然環(huán)境當(dāng)中的重金屬痕量元素，水中錳的價(jià)態(tài)可以由+1價(jià)到+7價(jià)，然而由于穩(wěn)定性原因，自然界水體中多為還原態(tài)的Mn2+和氧化形式的MnO2［1，2］。近年來隨著煤炭開采量的逐漸增加，礦山廢水的排放量也是日益增多，導(dǎo)致了環(huán)境中的污染物質(zhì)總量呈遞增趨勢，其中錳離子是礦山廢水中具有代表性的一種污染物。人體可以通過食物鏈造成重金屬錳的積累，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的毒性效應(yīng)，損害大腦和呼吸系統(tǒng)，并且引發(fā)各種病癥，造成人體危害［1，3-5］。吸附法是去除水中污染物的重要方法之一，不僅適用于去除有機(jī)物，同樣對(duì)重金屬有著良好效果，具有去除效果好、操作簡單、成本容易控制、不產(chǎn)生毒副產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)［6-10］。沸石具有特殊的硅(鋁)氧四面體結(jié)構(gòu)［11］，比表面積較大，是很好的吸附材料，然而通過改性可以不同程度的破壞沸石的表面，使沸石的比表面積增加，從而提高了沸石的吸附和離子交換性能［11，12］。為此，本研究擬采用NaOH對(duì)沸石進(jìn)行改性，用于吸附水中重金屬M(fèi)n2+，本研究可為改性沸石礦山廢水中錳離子的研究提供理論依據(jù)。以單因素實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)考察吸附劑用量、吸附時(shí)間、初始濃度和溫度對(duì)吸附效果的影響，探討NaOH改性沸石對(duì)Mn2+的吸附。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑和儀器

天然沸石(分析純，河南晶科水處理材料有限公司);氯化錳(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);氫氧化鈉(分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司);濃鹽酸(分析純，湖南株洲化學(xué)工業(yè)研究所)。超純水系統(tǒng)(重慶奧恩科技有限公司);電子分析天平(梅特勒—托利多儀器有限公司);Delta320臺(tái)式pH計(jì)(梅特勒—托利多儀器有限公司);AA-7002A原子吸收分光光度計(jì)(北京三雄科技)。

1.2 沸石預(yù)處理

沸石的預(yù)處理可以去除天然沸石表面含有的可溶解性有機(jī)物和無機(jī)物，減少對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的干擾。處理步驟如下:首先將購買回來的沸石置于燒杯中，加入100mL的超純水?dāng)嚢杞? h，過濾，最后再清洗3次;然后在105℃下干燥至恒重，將其置于干燥器中并冷卻至室溫，用密封袋密封儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 沸石改性

稱取一定量經(jīng)預(yù)處理后的沸石將其置于250mL燒杯中，加入過量2mol/L的NaOH溶液，50℃水浴加熱4 h，倒出上清液，用去離子水洗滌3次，在80℃溫度下烘干備用。

1.4 吸附試驗(yàn)

取100mL濃度為10mg/L的含Mn2+溶液分別置于250mL的錐形瓶中，加入改性后的沸石100 mg，室溫條件下置于搖床中振蕩，振蕩時(shí)間120min，靜置后于3000r/min下離心10min，取上清液用原子吸收光譜儀測反應(yīng)后Mn2+的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附劑用量對(duì)吸附效果的影響

選用處理后改性沸石作為吸附劑，按照吸附實(shí)驗(yàn)方法，當(dāng)Mn2+的濃度為10mg/L時(shí)，溫度為25℃，吸附時(shí)間為120min，在不調(diào)節(jié)pH值的條件下，考察吸附劑投加量對(duì)水溶液中Mn2+的吸附效果，用量控制在20 mg～200 mg之間，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著改性沸石用量的增加，改性沸石對(duì)Mn2+的吸附量逐漸增大，這是由于隨著改性沸石用量的增加，溶液中改性沸石總的表面積增大，導(dǎo)致吸附劑有效吸附位點(diǎn)增多。當(dāng)改性沸石的用量由20 mg增加到200 mg時(shí)，改性沸石對(duì)Mn2+的吸附量從3.96mg/g增加到9.91mg/g，當(dāng)用量為100 mg時(shí)，吸附量達(dá)到9.72mg/g。研究結(jié)果表明吸附劑用量是影響Mn2+吸附的重要影響因素，綜合經(jīng)濟(jì)成本和吸附效果，選擇100 mg作為吸附劑最佳用量。

2.2 吸附時(shí)間對(duì)改性沸石吸附Mn2+的影響

選用處理后改性沸石作為吸附劑，按照吸附實(shí)驗(yàn)方法，當(dāng)Mn2+的濃度為10mg/L時(shí)，溫度為25℃，吸附劑用量為100 mg，在不調(diào)節(jié)pH值的條件下，考察吸附時(shí)間對(duì)水溶液中Mn2+的去除效果的影響，吸附時(shí)間控制在30min～180min之間，結(jié)果如圖2所示。

圖1 投加量對(duì)去除率的影響

圖2 吸附時(shí)間對(duì)去除率的影響

由圖2可知，隨著吸附時(shí)間的延長，吸附劑對(duì)Mn2+的吸附量逐漸增大，尤其在120min以內(nèi)，吸附量與去除率升高較顯著。當(dāng)吸附時(shí)間為120min時(shí)，吸附量達(dá)到9.81mg/g，當(dāng)繼續(xù)延長吸附時(shí)間至180min時(shí)，吸附量達(dá)到最大為9.91mg/g。在120min～180min之間吸附速率趨于平緩，吸附量增加很小，這表明溶液中Mn2+濃度越高，吸附劑與其接觸的機(jī)會(huì)越多，吸附也就越快，隨著吸附時(shí)間的延長，溶液中Mn2+的濃度越來越低，吸附劑與Mn2+接觸的機(jī)會(huì)減少，導(dǎo)致吸附速率減小。綜合考慮選擇120min為合適的吸附時(shí)間。

2.3 初始濃度對(duì)吸附性能的影響

選用處理后改性沸石作為吸附劑，按照吸附實(shí)驗(yàn)方法，當(dāng)溫度為25℃，吸附時(shí)間為120min，吸附劑用量為100 mg，在不調(diào)節(jié)pH值的條件下，考察Mn2+的初始濃度對(duì)去除效果的影響，Mn2+的濃度控制在10mg/L～70mg/L之間，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著溶液中Mn2+初始濃度的增大，吸附劑對(duì)Mn2+的去除率由初始濃度為10mg/L的39.6%上升到20mg/L的93.5%，再逐漸下降至70mg/L的70.0%;吸附量由10mg/L的9.3mg/g增加到70mg/L的42mg/g。當(dāng)初始濃度分別為50mg/L，60mg/L，70mg/L時(shí)，吸附量增加很小，這是由于吸附劑對(duì)溶液中Mn2+的吸附量逐漸趨于飽和。

2.4 溫度對(duì)吸附性能的影響

選用處理后改性沸石作為吸附劑，按照吸附實(shí)驗(yàn)方法，當(dāng)Mn2+的濃度為10mg/L時(shí)，吸附時(shí)間為120min，吸附劑投加量為100 mg，在不調(diào)節(jié)pH值的條件下，考察溶液初始溫度對(duì)水溶液中Mn2+的去除效果，溫度控制在5℃～35℃之間，結(jié)果如圖4所示。

圖3 初始濃度對(duì)去除率的影響

圖4 溫度對(duì)去除率的影響

由圖4可知，隨著Mn2+溶液初始溫度的升高，吸附劑對(duì)Mn2+的吸附效率和吸附量逐漸增大。當(dāng)溫度由5℃提高至50℃時(shí)，吸附效率由73.0%上升到99.2%，吸附量由7.30mg/g增加到9.92mg/g。這是由于隨著溶液初始溫度的升高，溶液中的Mn2+和吸附劑的運(yùn)動(dòng)加快，其相互之間的吸附碰撞的機(jī)會(huì)增加，導(dǎo)致吸附效率和吸附量的增加。

3 結(jié)語

改性沸石對(duì)Mn2+吸附效果良好，當(dāng)Mn2+溶液初始濃度為10mg/L，吸附劑投加量為100 mg，吸附時(shí)間為120min，溶液初始溫度為25℃時(shí)，最大吸附容量為9.91mg/g，去除率達(dá)到99.1%。

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