王莫茜（四川師范大學(xué) 四川成都 610068）

高嶺土的主要成分是高嶺石。高嶺石是1∶1型粘土礦物，為含水鋁硅酸鹽。其晶體結(jié)構(gòu)由—Si—O四面體層和—Al—(O—OH)八面體層構(gòu)成，四面體和八面體之間共享氧原子形成高度有序的準(zhǔn)二維片層，具有較大的比表面積。高嶺石片層帶負(fù)電性，能吸附水中帶正電荷的離子和微粒[1]。比表面積大、吸附性能良好、儲(chǔ)量豐富、來(lái)源廣、成本低，其作為吸附劑去除廢水中的重金屬日益受到關(guān)注。其分子式為：Al2O3-2SiO2-2H2O。使用高嶺土吸附處理廢水具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1)儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉；（2)制備方法簡(jiǎn)單；（3)吸附效果好；（4)具有良好的機(jī)械性、穩(wěn)定性。因此，高嶺土將在廢水處理中具有良好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和試劑

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料：高嶺土（山西某高嶺土公司提供），100℃烘干，200℃～500℃煅燒。

實(shí)驗(yàn)所用水樣：蒸餾水配制的模擬水樣。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

（1）測(cè)定Cd2+的實(shí)驗(yàn)試劑：三乙醇胺溶液；37%甲醇；2mol/L的NaOH溶液；雙硫腙——CTMAB溶液：稱取0.25g分析純雙硫腙，加入0.5gCTMAB（十六烷基三甲基溴化胺），定容至500mL，搖勻。在60℃～70℃下水浴加熱30min，放暗處?kù)o置20min，取上清液使用。

（2）測(cè)定PNP的試劑：4mol/L的NaOH溶液。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 雙硫腙——CTMAB比色法[2]

廢水中鎘的測(cè)定可用原子吸收法和分光光度法。鎘可與多種顯色劑顯色，但多數(shù)顯色劑都不普及，故本次試驗(yàn)采用雙硫腙水相光度法進(jìn)行比色，本方法具有具快速、準(zhǔn)確、靈敏度高的特點(diǎn)。原理：在表面活性劑CTMAB(十六烷基三甲基溴化銨)存在下，堿性體系中的Cd2+與雙硫腙發(fā)生靈敏的顯色反應(yīng)，形成溶于水的紅色絡(luò)合物。在530nm處，用1cm比色皿比色測(cè)其吸光度，配合物及顯色劑的吸光度在5d內(nèi)基本不變。顯色體系中采用三乙醇胺、37%甲醇作掩蔽劑，測(cè)定Cd2+時(shí)可消除下列離子的干擾：Fe2+、Fe3+、Al3+、Ni3+、Co2+、Hg2+、Ag+。

1.2.2 紫外分光光度法[3]

波長(zhǎng)=400nm，pH=12.3，用于測(cè)試對(duì)硝基苯酚的方法。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

取適量已知濃度的鎘溶液、對(duì)硝基苯酚溶液于50mL三角瓶中，加適量1mol/L的HNO3和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至所需后，投加適量煅燒高嶺土，用HY-4型振蕩器振蕩，靜置后離心5min，取2份上清液，測(cè)pH值，一份依次加入三乙醇胺溶液1mL，37%甲醇溶液1mL，2mol/L的NaOH溶液數(shù)滴，雙硫腙——CTMAB溶液8mL，稀釋之50mL，稍作靜置。以蒸餾水做參比，測(cè)定鎘離子吸光度；另一份稀釋至25mL滴加NaOH溶液使PNP顯色，稍作靜置。以蒸餾水做參比，測(cè)定對(duì)硝基苯酚吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 高嶺土的投加量對(duì)去除二元污染物的影響

取煅燒高嶺土 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6g， 加入到 50mL 濃度為8.0mg/L PNP，10.0mg/L Cd2+的混合溶液中，室溫21.6℃下振蕩0.5h。實(shí)驗(yàn)步驟同1.4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。

圖1 高嶺土的投加量對(duì)去除二元污染物的影響

由圖1可知，二元混合體系中，隨著高嶺土用量的增加，PNP和Cd2+的去除率都呈上升趨勢(shì)，最佳去除率分別為81.85%和66.63%。而后隨著煅燒高嶺土用量的增加都呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殪褵邘X土投加量增多，活性位點(diǎn)增多，有利于去除，但隨著煅燒高嶺土用量的增加，有效比表面積將降低，故去除率降低。而Cd2+和PNP之間發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附[4]，從而減少了高嶺土對(duì)Cd2+的去除。

2.2 溫度對(duì)煅燒高嶺土去除二元污染物的影響

取0.25g煅燒高嶺土，加入到50mL濃度分別為8.0mg/L和10.0mg/LPNP 與 Cd2+混合溶液中， 在室溫 22.4、30.0、40.0、50.0、60.0、70.0℃下振蕩1h。實(shí)驗(yàn)步驟同1.4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖2 溫度對(duì)煅燒高嶺土去除二元污染物的影響

由圖2可知，二元混合體系中，當(dāng)溫度為30oC時(shí)，PNP與鎘離子都達(dá)到了最佳去除效果，分別為84.96%和79.52%。而30oC～70 oC對(duì)去除率幾乎沒(méi)有影響。這是因?yàn)闇囟葘?duì)于吸附過(guò)程主要有兩方面的影響。由于降低了溶液的折合粘度[5]，升高溫度可以增加PNP和Cd2+在高嶺土表層界面上以及小孔里的分散速度。在吸附達(dá)到30℃前，是由物理吸附到化學(xué)吸附的過(guò)渡區(qū)域，這時(shí)兩種吸附狀態(tài)共存。由于溫度不夠高，化學(xué)吸附速率不夠快，所以不是平衡結(jié)果。由于化學(xué)吸附需要活化能，故升高溫度對(duì)化學(xué)吸附有利，即隨著溫度的升高，吸附容量增大。當(dāng)達(dá)到吸附最高點(diǎn)時(shí)，化學(xué)吸附達(dá)到平衡，由于吸附是放熱過(guò)程，所以此時(shí)隨著溫度的升高，吸附容量反而降低。而Cd2+和PNP之間發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，從而減少了高嶺土對(duì)Cd2+的去除。

2.3 pH對(duì)煅燒高嶺土去除二元污染物的影響

取0.25g煅燒高嶺土，加入到50mL濃度分別為8.0mg/L和10.0mg/L的PNP與Cd2+混合溶液中，用HCl和NaOH將原水pH調(diào)至2，4，6，8，10，12 在 30℃下振蕩 1h。 實(shí)驗(yàn)步驟同 1.4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 3。

圖3 pH對(duì)煅燒高嶺土去除二元污染物的影響

由圖3可知，二元混合體系中，當(dāng)pH在4左右時(shí)PNP去除率最高，為85.35%，當(dāng)pH在8左右時(shí)Cd2+去除率最高，為79.62%。這是因?yàn)镻NP是可離子化有機(jī)物[6]，不同pH條件下，其分子態(tài)形式不同，在酸性溶液中，PNP主要以中性分子形態(tài)存在，通過(guò)分配作用、靜電吸附及氫鍵結(jié)合等方式吸附于高嶺土上，吸附量較大，但溶液中存在的H+與PNP產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，因此在pH<4的情況下，PNP的去除率隨pH的減小而減小，且在pH=4左右時(shí)達(dá)到峰值。在弱酸性至中性條件下，隨著pH升高，PNP逐漸離解，其分子態(tài)存在比例隨pH的增大而減小，而在堿性條件下，PNP完全以離子形式存在，PNP離子帶負(fù)電，而高嶺土也帶負(fù)電，因此PNP離子與相應(yīng)的表面電位產(chǎn)生靜電排斥作用，而使PNP的去除率顯著減少。此時(shí)Cd2+在高嶺土上的吸附主要以靜電作用為主[7]，溶液處于酸性環(huán)境中，pH通過(guò)改變表面電荷進(jìn)而影響靜電作用，pH升高，高嶺土表面的負(fù)電點(diǎn)位增加，Cd2+容易與氫氧根離子形成沉淀而粘附在高嶺土表面，從而促進(jìn)了Cd2+的去除。而Cd2+和PNP之間又發(fā)生了競(jìng)爭(zhēng)吸附，從而減少了煅燒高嶺土對(duì)Cd2+的除去。

2.4 高嶺土去除二元污染物的最佳條件

綜合以上實(shí)驗(yàn)，高嶺土去除二元污染物的最佳條件如表1。

表1 高嶺土去除二元污染物的最佳條件

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)主要研究了高嶺土去除對(duì)硝基苯酚（PNP）和鎘離子（Cd2+）二元污染物，為了更好的研究，首先進(jìn)行了煅燒高嶺土去除對(duì)硝基苯（PNP）和鎘離子（Cd2+）單一體的實(shí)驗(yàn)作為參照，然后完成煅燒高嶺土去除PNP和Cd2+組成的二元污染的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，煅燒高嶺土去除鎘離子的效果較好，且比較穩(wěn)定，去除對(duì)硝基苯酚的效果較佳。煅燒高嶺土的制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成產(chǎn)成本低，使得其處理含對(duì)硝基苯酚和鎘離子的廢水的投資及運(yùn)行費(fèi)用較低，因此該法處理含對(duì)硝基苯酚和鎘離子廢水在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

[1]葉舒展,周彥豪,陳福林.高嶺土表面改性研究進(jìn)展[J].橡膠工業(yè),2004(51):759-7641.

[2]張慧,竇惠源.D751螯合樹(shù)脂吸附鈾酰、銅、鎳、鋅及鈷的研究[J].核化學(xué)與放射化學(xué),1990,12(4)：214-219.

[3]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局,編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社第4版.,2002,583-585.

[4]蔣展鵬,楊津湘.苯酚與重金屬在活性炭上的競(jìng)爭(zhēng)吸附[J].水處理技術(shù).1989,（6）:313-319.

[5]曹秀華,王煉石.高嶺土夾層復(fù)合物的合成、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,21(3)：456-459.

[6]Amiri，F(xiàn).，Rahman，M.M.，Bornick，H.，et al.Sorption behavior of pHenols on natural sandy aquifermaterial during flow through column experiment:the effectof PH [J].Aeta Hydrochim.Hydrobiol,2004,(32):214-224.

[7]APPel，C.，Mal，L.Coneentration，pH，and surface charge effeets on cadmium and lead sorptiong in three tropical soils[J].J.Environ.Qual,2002，(31):581-589.