侯丹丹，丁述理，徐博會，2，王 東

(1河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北邯鄲，056038;2河北工程大學(xué)河北省資源勘測重點實驗室，河北邯鄲，056038;3河北省煤炭資源綜合利用協(xié)同創(chuàng)新中心，河北邯鄲，056038)

重金屬一般是指汞、鎘、鉛、鉻和類金屬As等毒性顯著的元素，也指具有一定毒性的一般重金屬，如銅、鋅、鎳等元素。重金屬具有不可降解性和易累積性，經(jīng)食物鏈富集進(jìn)入人體，會對肝臟、血液及中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生毒害作用［1－2］。其中銅是促進(jìn)動物新陳代謝必不可少的金屬元素，但攝入量過多會導(dǎo)致生物體產(chǎn)生嚴(yán)重的毒性反應(yīng)，如嘔吐，痙攣，抽搐，甚至死亡［2－4］。去除廢水中重金屬的傳統(tǒng)方法有很多，如化學(xué)沉淀法，離子交換法，膜過濾法，電化學(xué)處理法，吸附法等［5－6］。其中，吸附法設(shè)計簡單，操作方便，處理效果較好，是目前公認(rèn)的處理重金屬廢水的經(jīng)濟(jì)有效方法。傳統(tǒng)的吸附劑有離子交換樹脂、活性炭等，但因成本較高而限制了其廣泛應(yīng)用［7］。因此，開發(fā)新型、高效、廉價的重金屬吸附材料成為當(dāng)前環(huán)境工作者關(guān)注的熱點。

膨潤土是一種以蒙脫石為主要成分的含水層狀硅酸鹽黏土礦物，其結(jié)構(gòu)是由兩個硅氧四面體夾一層鋁氧八面體組成的2:1型晶體構(gòu)型［8］。與其他黏土礦物相比，膨潤土比表面積更大，具有良好的離子交換能力和吸附能力，且膨潤土資源豐富、廉價易得、無毒、無二次污染，是一種前景廣闊的環(huán)境友好型水處理材料，在水質(zhì)凈化和廢水處理領(lǐng)域受到廣泛重視。目前，有關(guān)酸改性膨潤土吸附廢水中重金屬的研究還較少。本文利用廉價的硫酸、鹽酸、磷酸作為改性劑，制備了三種改性膨潤土吸附劑，并研究了多種因素對吸附銅離子的影響。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

實驗儀器有721型分光光度計(上海第三分析儀器廠)，DHG－200型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(天津市華北實驗儀器有限公司)，85－2數(shù)顯恒溫磁力攪拌器(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)，GL－20G型飛鴿牌高速冷凍式離心機(jī)、數(shù)顯式酸度計，萬能粉碎機(jī)(上海申光儀器儀表有限公司)等。

試驗材料包括膨潤土(鞏義市恒鑫濾料廠)，銅粉(天津市大茂化學(xué)試劑有限公司)，硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉等均為分析純。

1.2 三種酸改性膨潤土的制備

配制1mol/L的硫酸、鹽酸、磷酸溶液各100 ml，稱取一定量的膨潤土分別與三種酸溶液混合均勻。浸泡24 h，過濾，離心，用蒸餾水將改性膨潤土洗至中性。把樣品置于105℃烘箱中干燥至恒重。研磨過200目篩，制得酸改性膨潤土。

1.3 酸改性膨潤土對銅離子的吸附實驗

稱取一定量的改性膨潤土，量取20 ml銅離子溶液，置于恒溫磁力攪拌器上攪拌一定時間，達(dá)到吸附平衡，離心分離，用721型分光光度計測上清液的吸光度。按以下公式計算銅離子去除率:

式中C0－溶液中銅離子的初始濃度;C1－吸附后上清液的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨潤土添加量對銅離子去除率的影響

在銅離子的初始濃度為3 mg/L，攪拌時間20 min，在pH=7，溫度為20℃條件下，探討三種酸改性膨潤土添加量對銅離子去除率的影響。從圖1可以看出，隨著改性膨潤土添加量的增加，銅離子去除率逐漸增大。硫酸改性膨潤土(SB)、鹽酸改性膨潤土(CB)、磷酸改性膨潤土(PB)添加量從0.5 g/L增加到2.5 g/L，銅離子去除率分別從70%、55%、25%增加到94%、92%、89%。銅離子去除率SB＞CB＞PB。繼續(xù)增加膨潤土添加量，銅離子去除率增加不明顯，甚至略有下降。這可能是由于隨著改性膨潤土添加量的增加，其表面的吸附點位和負(fù)電荷也增加，有利于金屬陽離子的吸附，但是過多的膨潤土在溶液中會產(chǎn)生“面團(tuán)效應(yīng)”，影響吸附過程的順利進(jìn)行，同時導(dǎo)致固液分離效果不佳。因此，確定最佳膨潤土添加量為2.5 g/L。

2.2 初始離子濃度對銅離子去除率的影響

固定攪拌時間20 min，改性膨潤土添加量2.5 g/L，在pH=7，溫度為20℃條件下，探討銅離子初始濃度對銅離子去除率的影響。如圖2所示，隨著銅離子初始濃度的提高，銅離子去除率逐漸下降，但下降幅度較小。銅離子初始濃度從1 mg/L提高到 3 mg/L，SB、CB、PB 對銅離子的去除率分別從94%、92%、89%下降到85%、80%、74%。在實際應(yīng)用時，若銅離子的初始濃度較高，可適當(dāng)增加膨潤土初始添加量，或者進(jìn)行二次吸附，可獲得較好的去除效果。

2.3 溶液pH值對銅離子去除率的影響

在攪拌時間20 min，改性膨潤土添加量2.5 g/L，銅離子初始濃度3 mg/L，在 pH=7，溫度為20℃條件下，探討溶液pH值對銅離子去除率的影響。由圖3可知，溶液pH值對銅離子去除率的影響較大。當(dāng)pH值從2.3上升到6.8時，銅離子去除率隨pH值的升高而迅速升高。當(dāng)pH值從6.8繼續(xù)上升到12.3時，銅離子去除率上升幅度較小，在pH＞12時達(dá)到最大值。這可能是由于在酸性條件下，溶液中存在大量的H+，會與銅離子發(fā)生競爭吸附，隨著溶液pH的增大，H+逐漸減少，膨潤土晶體斷面負(fù)電荷增加，競爭吸附效應(yīng)也隨之減弱，銅離子的吸附量上升［9］。

2.4 反應(yīng)溫度對銅離子去除率的影響

在攪拌時間20 min，改性膨潤土添加量2.5 g/L，銅離子初始濃度3 mg/L，pH值為12，探討反應(yīng)溫度對銅離子去除率的影響。從圖5可以看出，銅離子去除率隨溫度的升高而升高，但幅度較小。隨著溫度從20℃上升到60℃，SB、CB、PB對銅離子的去除率分別從94%、93%、89%上升到99%、96%、93%。這可能是溫度升高使得銅離子的運(yùn)動加劇，更容易與膨潤土顆粒接觸而被吸附。另外，溫度還會影響酸性改性劑對膨潤土的改性效果，適當(dāng)提高反應(yīng)溫度有利于促進(jìn)酸改性劑通過離子交換、配位體交換、氫鍵和范德華力等方式與膨潤土相結(jié)合，進(jìn)而提高酸改性膨潤土對銅離子的靜電吸附和絡(luò)合［10］。鑒于溫度對銅離子去除率的影響較小，吸附過程在室溫條件下進(jìn)行即可。

2.5 攪拌時間對銅離子去除率的影響

在改性膨潤土添加量2.5 g/L，銅離子初始濃度3 mg/L，pH值為12，溫度為20℃條件下，探討攪拌時間對銅離子去除率的影響。如圖5所示，銅離子去除率隨攪拌時間的增加而上升，當(dāng)攪拌時間達(dá)到15 min時，三種膨潤土(SB、CB、PB)對銅離子的去除率分別達(dá)到99%、96%、92%。繼續(xù)延長攪拌時間，銅離子去除率基本無變化，達(dá)到吸附平衡。因此，將15 min確定為最佳反應(yīng)時間。

3 結(jié)論

1)硫酸改性膨潤土(SB)、鹽酸改性膨潤土(CB)、磷酸改性膨潤土(PB)對銅離子均有較強(qiáng)的吸附作用。

2)銅離子初始濃度3 mg/L，酸改性膨潤土添加量2.5 g/L，pH 為12，溫度為20 ℃，室溫，攪拌時間為15 min條件下，三種膨潤土(SB、CB、PB)對銅離子的去除率分別達(dá)到99%、96%、92%。

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