Tan Ruiqi，Li DongGuangdong ANJATAI Environment Protection Science and Technology Co

硫酸鈣晶須對(duì)水中Pb2+的吸附性能

Tan Ruiqi，Li Dong
Guangdong ANJATAI Environment Protection Science and Technology Co

利用硫酸鈣晶須對(duì)含Pb2+水樣進(jìn)行靜態(tài)吸附試驗(yàn)，研究了其對(duì)Pb2+的吸附性能及機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明,硫酸鈣晶須對(duì)Pb2+的去除效果好、處理效率高，其對(duì)Pb2+的去除率可達(dá)到97.54%。同時(shí)，根據(jù)吸附熱力學(xué)和吸附動(dòng)力分析可知，硫酸鈣晶須對(duì)Pb2+的主導(dǎo)吸附方式為單分子層的化學(xué)吸附，吸附規(guī)律可用Langmuir方程和二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行很好地模擬。

硫酸鈣晶須；Pb2+；吸附；等溫方程；動(dòng)力學(xué)方程

硫酸鈣晶須是一種性?xún)r(jià)比很高的綠色環(huán)保材料[1]。它具有結(jié)構(gòu)松散、密度小、比表面積大、無(wú)毒等特性，利用晶須松散的結(jié)構(gòu)和其表面活性，可以用作啤酒、飲料和藥品等的過(guò)濾。同時(shí)在廢水處理中也可以對(duì)其應(yīng)用，劉玲[1]等利用硫酸鈣晶須對(duì)含乳化油廢水進(jìn)行了處理，在一定條件下,硫酸鈣晶須破乳除油效果較好,除油率達(dá)97.08%。陳曉娟[2]等利用硫酸鈣晶須對(duì)As(ⅠⅠⅠ)∕As(Ⅴ)進(jìn)行吸附，效果較好，并且提出對(duì)晶須進(jìn)行穩(wěn)定化處理和表面進(jìn)行改性的建議。楊雙春[3]等在硫酸鈣晶須對(duì)鎘、鎳、鉛的吸附研究中發(fā)現(xiàn),硫酸鈣晶須對(duì)鉛離子具有良好的定量吸附和解吸功能,且重復(fù)再生性能較好。因此，本文在硫酸鈣晶須的吸附應(yīng)用方面進(jìn)行探討和研究，使用硫酸鈣晶對(duì)Pb2+的吸附特性、機(jī)理進(jìn)行分析和研究。

1 試劑及儀器

試驗(yàn)中所用Pb(NO3)2、HCl、NaOH均為分析純；溶液均采用自制去離子水配置；本試驗(yàn)使用的硫酸鈣晶須為武漢大學(xué)固廢資源化實(shí)驗(yàn)室使用脫硫石膏制備得到；掃描電子顯微鏡（荷蘭FEⅠ公司，Quanta 200），等離子體發(fā)射光譜儀（澳大利亞Agilent公司，5100 SⅤDⅤ）；離心機(jī)；六聯(lián)電動(dòng)攪拌器。

2 試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)為靜態(tài)吸附試驗(yàn)，配置一定濃度Pb2+水樣，采用錐形瓶作為反應(yīng)器；用攪拌子來(lái)使水溶液產(chǎn)生旋流；多聯(lián)式磁力加熱式攪拌器，連接感溫探頭控制水溫。試驗(yàn)過(guò)程中控制溫度為25℃(溫度控制在±0.5℃)，攪拌速度200r∕min。精確記錄試驗(yàn)時(shí)間，在到達(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間后，靜置30min,抽取一定量的混合液注入離心管中，進(jìn)行離心，設(shè)定離心時(shí)間為10分鐘，轉(zhuǎn)速3000r∕min。使用一次性針式微孔濾膜取離心管中的上清液，對(duì)濾液使用等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行鉛離子濃度分析。通過(guò)改變水樣pH、處理時(shí)間、水樣濃度、硫酸鈣晶須投加量的單因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，每個(gè)單因素試驗(yàn)均有3組平行試驗(yàn)。用等離子光譜儀（ⅠCP）測(cè)定上層清液的Pb2+含量。

3 結(jié)果與討論

3.1pH對(duì)吸附效果的影響

pH對(duì)金屬氧化物吸附金屬離子起到非常大的影響[4]。pH對(duì)吸附效果的影響見(jiàn)圖1，鉛的去除率隨pH上升而上升其原因?yàn)椋?. pH越高晶須表面形成羥基化從而導(dǎo)致負(fù)電荷越多，對(duì)Pb2+的吸附能力就越強(qiáng)。2.各金屬離子均有一個(gè)臨界pH值，當(dāng)超過(guò)該值以后，離子的水解和沉淀占主導(dǎo)地位[5]。3.當(dāng)pH大于7以后Pb2+的去除率上升的主要原因可能是吸附與沉淀共同的作用。

圖1 pH對(duì)吸附的影響

3.2 時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

硫酸鈣晶須在短時(shí)間內(nèi)對(duì)鉛的去除效果非常明顯，在處理Pb2+濃度為2.73mmol∕L，由圖2可見(jiàn)，30分鐘時(shí)，去除率即達(dá)到67.97%。從90分鐘到120分鐘時(shí)，鉛去除速率放緩，可能是因?yàn)榫ы毼轿稽c(diǎn)和水樣中鉛的濃度都已大大減少。全過(guò)程在120分鐘內(nèi)，去除速率明顯增大，在120分鐘到360分鐘之間去除率基本保持穩(wěn)定，在360分鐘時(shí)去除率已近達(dá)到97%，溶液平衡濃度僅為24.56mg∕L。有此可知，在120分鐘時(shí)吸附過(guò)程基本已近達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖2 時(shí)間對(duì)吸附的影響

3.3 初始Pb2+濃度對(duì)吸附效果的影響

圖3 初始濃度對(duì)吸附的影響

當(dāng)含鉛水樣濃度高8.2mmol∕L時(shí)，見(jiàn)圖3，硫酸鈣晶須對(duì)鉛的吸附量的趨勢(shì)基本平緩，雖然去除率下降，但是吸附量隨水樣初始濃度呈相關(guān)度較高的線(xiàn)性遞增關(guān)系可知其對(duì)鉛的吸附能力仍然保持一個(gè)較高的趨勢(shì)上升，隨著Pb2+離子濃度增多，吸附劑與吸附質(zhì)之間接觸和碰撞的機(jī)會(huì)增大，導(dǎo)致吸附量隨之增大[6]。隨著Pb2+離子濃度增多，吸附劑與吸附質(zhì)之間接觸和碰撞的機(jī)會(huì)增大，導(dǎo)致吸附量隨之增大。由此推測(cè)水樣中Pb2+濃度越大濃則可以提高附劑和吸附質(zhì)的接觸幾率，提升吸附量。

3.4 吸附產(chǎn)物分析

通過(guò)Ⅴisual MⅠNTEQ模擬1000mg∕L初始濃度鉛離子的水解形態(tài)的分布圖，見(jiàn)圖4。

圖4 不同pH下的鉛離子形態(tài)分布圖

對(duì)吸附鉛的硫酸鈣晶須進(jìn)行XRD圖譜分析。見(jiàn)圖5，當(dāng)pH=7時(shí)生成了PbSO4，在pH=8時(shí)有3PbO·PbSO4·H2O（三鹽基硫酸鉛）生成。

圖5 吸附產(chǎn)物固相XRD圖譜

表1 吸附等溫方程擬合參數(shù)

表2 吸附動(dòng)力學(xué)方程的線(xiàn)性擬合數(shù)據(jù)

根據(jù)結(jié)晶理論，硫酸鈣晶須是層狀結(jié)構(gòu)，Ca2+和SO42-之間由離子鍵連接，由于其生長(zhǎng)方式是以基元臺(tái)階形式，其生長(zhǎng)位點(diǎn)活性較強(qiáng)，所以SO42-從活性位點(diǎn)釋放，與Pb2+在晶須表面結(jié)合，以此完成硫酸鈣晶須對(duì)Pb2+的吸附作用[7]。

3.5 吸附等溫方程

用Langmuir、Freundlich兩種吸附等溫模型研究硫酸鈣晶須對(duì)Pb2+吸附特性。

由表1可知在溫度提高的情況下Langmuir方程的最大吸附量Qm和平衡系數(shù)KL不斷的提高。

隨著溫度由25℃上升到45℃的過(guò)程中，最大吸附量變大，可能是因?yàn)闇囟壬仙齈b2+的擴(kuò)散速率發(fā)生變化而導(dǎo)致的。Freundlich方程在不同溫度下的1∕n值均小于0.5，說(shuō)明硫酸鈣晶須對(duì)鉛的吸附性能較好。

3.6 吸附動(dòng)力學(xué)

評(píng)價(jià)吸附劑在吸附過(guò)程中的傳質(zhì)速率，最好的方式就是進(jìn)行吸附動(dòng)力學(xué)的研究[8]。所以需要通動(dòng)力學(xué)模型對(duì)吸附過(guò)程中硫酸鈣晶須和Pb2+相互作用的吸附動(dòng)力學(xué)規(guī)律展開(kāi)研究。由表2可知，該吸附過(guò)程遵循準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，所以說(shuō)明硫酸鈣晶須對(duì)Pb2+的吸附受化學(xué)吸附主導(dǎo)，化學(xué)吸附涉及到吸附劑與吸附質(zhì)之間的電子共用或電子轉(zhuǎn)移[9]。

4 結(jié)論

硫酸鈣晶須對(duì)鉛的去除率高、效果好、反應(yīng)迅速。通過(guò)適當(dāng)提高吸附環(huán)境的pH可以提高其對(duì)鉛的吸附效果，處理效率高。當(dāng)處理pH為7，投加量為1g的情況下120分鐘鉛的去除率即可達(dá)到96.9%。通過(guò)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型分析發(fā)現(xiàn)其過(guò)程最為符合Langmiur方程和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

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譚睿祺，男，湖北人，碩士研究生，廣東安佳泰環(huán)保科技有限公司（廣東省危險(xiǎn)廢棄物示范中心二期），研究方向：固廢處置及其資源化。

譚睿祺，李東
廣東安佳泰環(huán)?？萍加邢薰?/p>

Adsorption properties of calcium sulfate whiskers on Pb(Ⅱ)

Through the Static adsorption test of lead ion by calcium sulfate whiskers(CSW),We have discussed the performance and mechanism of the adsorption.Experimental results demonstrated that CSW exhibited high removal rate and superior processing efficiency on the lead ion treatment,and the lead ion removal rate was up to 97.54%.At the same time,based on the analysis of thermodynamics and kinetics shows that the main adsorption process of lead ion is control by monolayer chemical adsorption,and the law of the adsorption can be well simulated by Langmuir equation and second-order kinetic equation.

Calcium sulfate whiskers；Pb(Ⅱ)；Adsorption；Isotherm equation；Reaction kinetic equation