程 婷，袁 昌，藏奕奕，王 敏，張 莉，陳 晨

(1.江蘇城市職業(yè)學院 城市科學系，江蘇 南京210017;2.江蘇科技大學 環(huán)境與化學工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212018)

近年來，大量重金屬污染物排向環(huán)境當中，對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成極其不利的影響，因此水體中重金屬的有效去除成為研究熱點［1，2］。粉煤灰是燃煤電廠產(chǎn)生的一種固體廢棄物，主要由硅、鋁氧化物和其它金屬氧化物組成。由于工業(yè)用煤量巨大，大量粉煤灰大量堆積，占用土地，污染環(huán)境，浪費資源。同時，粉煤灰又是一種吸附材料，比表面積較大，具有活性基團和較高的吸附活性［3，4］。粉煤灰及其合成材料作為吸附劑對重金屬離子具有較好的吸附特性［5，6］。目前大多數(shù)研究集中在單一離子的吸附性能上［5，7］，對多種離子的競爭吸附研究不夠全面。本研究利用粉煤灰合成的沸石材料為吸附劑，考察吸附劑量與初始濃度對合成沸石吸附重金屬鉛離子、銅離子、鎘離子的競爭吸附效果影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗器材

試驗用粉煤灰取自江蘇太倉協(xié)鑫發(fā)電廠，主要化學成分為:SiO2為51.06%，Al2O3為32.36%，F(xiàn)e2O3為4.68%，CaO 為2.91%，TiO2為1.17%，MgO 為0.9%。試驗用儀器有:THZ－82 型恒溫振蕩器(金壇市順華儀器有限公司)，PHS－3C 型PH 計酸度計(上海雷磁儀器廠)，AA240DUO 原子吸收光譜儀(美國安捷倫科技有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 粉煤灰合成沸石的制備 粉煤灰沸石的合成采用基于氫氧化鈉溶液的強堿反應(yīng)法，其合成方法為:在可分離的燒瓶中將2g 粉煤灰添加到NaOH 溶液中，將溶液在25～95℃的空曠環(huán)境下攪拌1～48h(可用磁力攪拌器實現(xiàn))。將獲得的樣品用蒸餾水沖洗并在100℃干燥24h。沸石合成的基本條件是反應(yīng)時間5h，反應(yīng)溫度95℃，NaOH 溶液為8mol/L，體積為50L。

1.2.2 試驗步驟

(1)標準曲線的繪制。 采用火焰原子吸收法測定混合重金屬離子Pb2+、Cu2+、Cd2+的標準曲線，結(jié)果如圖1、圖2 與圖3 所示。

圖1 火焰原子吸收法測定的鉛離子標準曲線

圖2 火焰原子吸收法測定的銅離子標準曲線

圖3 火焰原子吸收法測定的鎘離子標準曲線

由圖1～圖3 火焰原子吸收法測定的鉛離子、銅離子與鎘離子的標準曲線結(jié)果可知，混合重金屬離子中各元素測定的R2＞0.99，其相關(guān)性較好。

(2)樣品測定 在10mL 具塞聚丙烯管中投加一定量合成的粉煤灰合成沸石，并移取一定體積的混合重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+溶液。用0.01mol/L 的稀硝酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)其pH 值后，置于一定溫度下的水浴恒溫振蕩器中進行震蕩吸附反應(yīng)(150rpm)。吸附試驗完成后利用0.45μm 的水系濾膜對混合液進行過濾，在原子吸收儀器上測定樣品中殘余的Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸光值，并根據(jù)繪制的標準曲線得出未知樣品中Pb2+、Cu2+、Cd2+的濃度值。

1.2.3 分析方法 采用AA240DUO 原子吸收光譜儀測定吸附后水樣中混合重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+的濃度。吸附容量的計算公式為:其中Qe為吸附容量(mg/g)，CO為金屬離子初始濃度(mg/L)，Ce為金屬離子吸附平衡濃度(mg /L)，V 為溶液體積(mL)，m 為吸附劑用量(g)。去除率的計算公式為

2 結(jié)果與討論

2.1 沸石投加量對合成沸石吸附重金屬去除率的影響

2.1.1 混合重金屬離子初始濃度為50mg/L 初始濃度為50mg/L 時沸石投加量對混合重金屬鉛、銅、鎘離子競爭吸附去除率的影響如圖4 所示。合成沸石的投加量分別為:0.25、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8 與9 g/L，初始pH 為6，反應(yīng)時間為14h。

圖4 吸附劑量對沸石吸附重金屬鉛、銅、鎘離子的去除率影響(初始濃度為50mg/L)

由圖4 可知，當混合重金屬離子初始濃度為50mg/L 時，吸附劑量對合成沸石吸附重金屬鉛離子、銅離子、鎘離子的去除率影響非常顯著。當合成沸石投加量為0.25g/L～1g/L 時，合成沸石對重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附去除率均有一定程度的上升。合成沸石對Cd2+的吸附去除率從9.54% 提高到23.90%，對Cu2+的吸附去除率從14.91%提高到29.53%，對Pb2+的吸附去除率從25.56% 提高到46.98%。當合成沸石投加量大于2 g/L 時，合成沸石對3種重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附去除率均有大幅度的提高。當合成沸石投加量為2g/L～7 g/L 時，其對Cd2+的吸附去除率從39.92%提高到96.66%，繼續(xù)提高沸石投加量則吸附趨于飽和。當合成沸石投加量為2g/L～5g/L時，其對Cu2+的吸附去除率從56.90%提高到96.01%。而當合成沸石投加量為2g/L～4g/L 時，對Pb2+的吸附去除率從88.89%提高到98.25%。當吸附劑量大于7g/L 時，繼續(xù)提高其量已經(jīng)對吸附體系的去除率沒有影響，吸附體系趨于飽和。此外，由圖1 還可以看出，在整個吸附過程中，合成沸石對混合重金屬離子Pb2+、Cu2+、Cd2+的競爭吸附順序為:Pb ＞Cu ＞Cd。即在重金屬Pb2+、Cu2+與Cd2+這3 種離子共存時，合成沸石對重金屬Pb2+的吸附去除率最好，其次為重金屬Cu2+，對重金屬Cd2+的吸附去除率最差。

2.1.2 混合重金屬離子初始濃度為100mg/L

圖5 吸附劑量對沸石吸附重金屬鉛、銅、鎘離子的去除率的影響(初始濃度為100mg/L)

當混合重金屬離子濃度為100mg/L 時，沸石投加量對混合重金屬鉛、銅、鎘離子競爭吸附去除率的影響如圖5 所示。合成沸石的投加量分別為:0.25、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8 與9 g/L，初始pH 為6，反應(yīng)時間為14h。由圖5 可知，當混合重金屬離子初始濃度為100mg/L 時，吸附劑量對沸石吸附重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+的去除率影響非常顯著。隨著吸附劑投加量的不斷增加，合成沸石對3 種重金屬的去除率均不斷升高，且合成沸石對3 種重金屬離子Pb2+、Cu2+、Cd2+的競爭吸附順序仍然為:Pb ＞Cu ＞Cd。當沸石投加量為0.25g/L～1g/L 時，合成沸石對重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附去除率均有一定程度的上升。其對Cd2+的吸附去除率從3.98%提高到6.69%，對Cu2+的吸附去除率從10.58%提高到19.82%，對Pb2+的吸附去除率從13.10%提高到33.49%。沸石投加量為2～9g/L 時，沸石對3 種重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附去除率均有不同程度的提高，其對Cd2+的吸附去除率從10.07%提高到28.81%，對Cu2+的吸附去除率從25.88%提高到80.15%，對Pb2+的吸附去除率從51.51%提高到99.68%。

2.2 沸石投加量對合成沸石吸附重金屬飽和吸附量的影響

圖6 吸附劑量對沸石吸附重金屬鉛、銅、鎘離子的飽和吸附量影響(初始濃度為50mg/L)

圖7 吸附劑量對沸石吸附重金屬鉛、銅、鎘離子的飽和吸附量影響(初始濃度為100mg/L)

合成沸石吸附混合重金屬離子Pb2+、Cu2+、Cd2+的飽和吸附量受沸石投加量的影響如圖6(初始濃度為50mg/L)與圖7(初始濃度為100mg/L)所示。其中合成沸石的投加量分別為:0.25、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8 與9g/L，初始pH 為6，反應(yīng)時間為14h。由圖6 與圖7 所示，合成沸石對重金屬離子Pb2+、Cu2+、Cd2+的飽和吸附量受沸石投加量的影響顯著。隨著合成沸石投加量的不斷增加，其對混合重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+的飽和吸附量不斷下降，即單位質(zhì)量的沸石吸附劑對重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附容量不斷下降，且當沸石投加量為0.25g/L～1g/L 時，初始濃度為50mg/L 與100mg/L 吸附體系中的飽和吸附量均隨著沸石投加量的上升而大幅度下降。當混合重金屬離子的初始濃度為50mg/L 時，沸石投加量為0.25g/L～1g/L 時，合成沸石對Cd2+的吸附容量由19.08mg/g 下降到11.95mg/g，對Cu2+的吸附容量由29.82mg/g 下降到14.77mg/g，對Pb2+的吸附容量由51.11mg/g 下降到23.49mg/g。當混合重金屬離子的初始濃度為100mg/L時，沸石投加量為0.25g/L～1g/L 時，合成沸石對Cd2+的吸附容量由15.90mg/g 下降到6.69mg/g，對Cu2+的吸附容量由42.34mg/g 下降到19.82mg/g，對Pb2+的吸附容量由52.38mg/g 下降到33.49mg/g。當沸石投加量為2g/L～9g/L 時，合成沸石對混合重金屬的飽和吸附容量均有不同程度的下降。當混合重金屬離子濃度為50mg/L 時，其對Cd2+的吸附容量由9.98mg/g下降到5.56mg/g，對Cu2+的吸附容量由14.23mg/g下降到5.56mg/g，對Pb2+的吸附容量由22.22mg/g下降到5.56mg/g。當混合重金屬離子濃度為100mg/L 時，其對Cd2+的吸附容量由5.04mg/g 下降到3.20mg/g，對Cu2+的吸附容量由12.94mg/g 下降到8.91mg/g，對Pb2+的吸附容量由25.75mg/g 下降到11.08mg/g。吸附劑投加量增加以后，其與水中混合重金屬的接觸面積也隨之增加，從而使吸附劑利用率降低。

3 結(jié) 論

(1)吸附劑投加量對粉煤灰合成沸石吸附混合重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+去除率與飽和吸附量均影響顯著。

(2)隨著吸附劑投加量的不斷增加，合成沸石對3種重金屬的去除率均不斷升高。當初始濃度為50 mg/L 與100 mg/L 時，合成沸石對3 種重金屬離子Pb2+、Cu2+、Cd2+的競爭吸附順序均為:Pb ＞Cu ＞Cd。

(3)隨著合成沸石投加量的不斷增加，其對混合重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+的飽和吸附量不斷下降，即單位質(zhì)量的沸石吸附劑對重金屬Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附容量不斷下降。

(4)當沸石投加量為0.25g/L～1g/L 時，初始濃度為50mg/L 與100mg/L 吸附體系中的飽和吸附量均隨著沸石投加量的上升而大幅度下降。

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