王藝潔 楊家萍

蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院

靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土對(duì)Zn2+吸附研究

王藝潔 楊家萍

蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院

通過研究靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土從溶液中吸附金屬鋅離子的過程，考察了吸附時(shí)間、以及溫度因素對(duì)吸附效果的影響。結(jié)果表明，靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土原礦和改性土分別在在吸附時(shí)間為60 min，45min時(shí)吸附達(dá)到平衡。隨著溫度增加，凹凸棒粘土原礦和改性土吸附Zn2+的吸附量和吸附率都有所上升，但是變化不大.改性凹凸棒粘土在20℃時(shí)去除率已經(jīng)達(dá)到98.98%，考慮到經(jīng)濟(jì)性可以在室溫下進(jìn)行，靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土對(duì)Zn2+有良好的吸附作用。同時(shí)等溫模型擬合表明兩種模型都可以在一定程度上描述凹凸棒粘土對(duì)鋅離子的吸附，但是在溫度較低時(shí)Freundlich方程的擬合效果更好。

靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土；吸附；鋅離子

1 引言

含鋅廢水是一種對(duì)環(huán)境污染十分嚴(yán)重的廢水，鋅攝入量過多可致中毒。隨著人們對(duì)環(huán)境和健康的日益重視，尋求高效低成本的方法徹底地處理含鋅廢水，使其達(dá)到并低于排放的標(biāo)準(zhǔn)將是今后一段時(shí)間的研究重點(diǎn)所在。傳統(tǒng)的物理、化學(xué)法在含鋅廢水的處理上應(yīng)用十分廣泛，但仍然存在著諸如處理成本高、二次污染等問題。

在甘肅靖遠(yuǎn)、臨澤等發(fā)現(xiàn)的大型凹凸棒粘土礦，經(jīng)初步普查資源量可達(dá)10億噸以上，資源量豐富。凹凸棒粘土是一種層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽晶體礦物，具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。主要包括吸附性、載體性、催化性、可塑性和流變性等，可以作為處理水污染的吸附劑。本文主要采用甘肅靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土研究其吸附含鋅廢水，研究結(jié)果將為應(yīng)用甘肅靖遠(yuǎn)凹凸棒進(jìn)行水體重金屬污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

凹凸棒原土：實(shí)驗(yàn)所用凹凸棒粘土為2016年10月采自甘肅靖遠(yuǎn)的紅色凹凸棒粘土。粉碎，取適量粉末過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，編號(hào)為S0，置于干燥密閉容器中保存，備用。

鋅標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：稱取4.3977g固體七水硫酸鋅（分析純）于250mL燒杯中用蒸餾水溶解，移入1000ml容量瓶中稀釋至標(biāo)線，搖勻，此溶液每毫升含100.0μg鋅。

2.2 試劑及儀器

試劑：七水硫酸鋅（分析純）；硫酸(化學(xué)純)

儀器：顎式破碎機(jī)（浙江上虞銀河測(cè)試儀器廠）；GJ-1密封式制樣粉碎機(jī)（浙江上虞市肖金化驗(yàn)設(shè)備廠）；JA 1003N型電子天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司)；HJ-6多頭磁力加熱攪拌器（金壇市振興實(shí)驗(yàn)器材廠）；恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上?，槴\實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；CP-Optima 2000DV等離子發(fā)射光譜儀(美國(guó)Perkin-El?mer公司)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 凹凸棒粘土改性實(shí)驗(yàn)

取適量靖遠(yuǎn)紅色粉末狀凹凸棒原礦過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，按照10g/1000mL的固液比與2mol/L的硫酸溶液混合，室溫下置于HJ-6多頭磁力加熱攪拌器上攪拌20min，靜置18h，過濾，用蒸餾水水洗至pH呈中性，放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)（105℃）烘干，研磨后過200目篩，在360℃馬弗爐燒2h，編號(hào)為S1，置于干燥密閉容器中保存，備用。

2.3.2 凹凸棒粘土吸附試驗(yàn)

吸附體系由一定濃度的金屬溶液中加入定量的凹凸棒粘土，并于固定振蕩速率和不同溫度下恒溫振蕩24h。然后用過濾法分離固液相，液相由等離子發(fā)射光譜法測(cè)量重金屬離子濃度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 吸附時(shí)間對(duì)Zn2+吸附性能的影響

在溶液pH為7.0、溫度為25℃、初始Zn2+質(zhì)量濃度為60mg/L、凹凸棒黏土加入量為100mL Zn2+溶液中加入1g黏土，考察不同吸附時(shí)間條件下原礦及改性凹凸棒黏土對(duì)Zn2+的吸附性能，結(jié)果見圖1，圖2。在60min前，隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，凹凸棒原礦黏土對(duì)Zn2+的吸附率增加，60min后,殘余Zn2+含量基本不變，表明吸附時(shí)間為60分鐘時(shí)凹凸棒的吸附已經(jīng)達(dá)到平衡，因此最佳吸附時(shí)間為60分鐘。改性凹凸棒粘土對(duì)Zn2+的脫除效果比凹凸棒原礦粘土好，吸附時(shí)間為45分鐘，水中殘余Zn2+含量最低，繼續(xù)延長(zhǎng)吸附時(shí)間水中殘余Zn2+含量基本不變達(dá)到平衡，吸附時(shí)間為45分鐘。與原礦相比，改性凹凸棒粘土對(duì)Zn2+的去除效果明顯提高。

圖1 凹凸棒原礦吸附時(shí)間對(duì)吸附性能的影響

圖2 改性凹凸棒粘土吸附時(shí)間對(duì)吸附性能的影響

3.2 吸附溫度對(duì)Zn2+吸附性能的影響

在溶液pH為7.0、攪拌時(shí)間為50min、初始Zn2+質(zhì)量濃度為60mg/L、凹凸棒黏土加入量為100mL Zn2+溶液中加入1g黏土，考察吸附溫度對(duì)吸附性能的影響。結(jié)果見圖3，圖4。凹凸棒原礦黏土對(duì)Zn2+的吸附容量和去除率隨吸附溫度的升高而增加，50℃后二者增加緩慢。這是由于溫度太低時(shí)，一方面溶液黏度大，分子擴(kuò)散速率慢，另一方面，黏土對(duì)鉛離子的吸附可能為化學(xué)吸附，溫度低時(shí)化學(xué)吸附較慢，而升高溫度，液體擴(kuò)散和吸附速率加大。改性凹凸棒粘土在20℃時(shí)去除率已經(jīng)達(dá)到98.98%，隨著溫度增加，粘土吸附Zn2+的吸附量和吸附率雖然都有所上升，但是變化不大，可見溫度對(duì)改性凹凸棒石粘土吸附Zn2+的影響不大，考慮到經(jīng)濟(jì)性可以在室溫下進(jìn)行。

圖3 凹凸棒原礦溫度對(duì)吸附性能的影響

圖4 改性凹凸棒粘土溫度對(duì)吸附性能的影響

3.3 等溫吸附模型擬合

吸附等溫過程用Freundlich和Langmuir模型擬合，其函數(shù)關(guān)系如下：

Freundlich方程

式中kf——吸附系數(shù)；

1/n——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

Ce——平衡質(zhì)量濃度，mg/L；

qe——平衡吸附量，mg/g。

Langmuir方程

式中Ce——平衡質(zhì)量濃度，mg/L；

qe——平衡吸附量，mg/g；

qm——單位表面達(dá)到飽和吸附時(shí)的最大吸附量，mg/g；

b——表征吸附表面強(qiáng)度的常數(shù)，L/mg。

3.3.1 凹凸棒原土吸附重金屬離子Zn2+的等溫吸附模型擬合

表1 鋅離子在凹凸棒原礦上吸附的等溫線常數(shù)和可決系數(shù)

表2 鋅離子在改性凹凸棒原礦上吸附的等溫線常數(shù)和可決系數(shù)

Freundlich等溫方程擬合曲線中得到的相關(guān)系數(shù)R2都較好，隨溫度的降低擬合效果變好，相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.98以上，而吸附系數(shù)和經(jīng)驗(yàn)常數(shù)都隨溫度的降低而減小。Langmuir等溫方程擬合曲線中得到的相關(guān)系數(shù)R2同樣是隨溫度的降低擬合效果變好，其相關(guān)系數(shù)R2都在0.91以上。飽和吸附量qm隨溫度的升高而增大，表面吸附強(qiáng)度系數(shù)隨溫度的升高而降低。對(duì)比上述兩種方程擬合結(jié)果，兩種模型都可以在一定程度上描述凹凸棒原土對(duì)鋅離子的吸附，但是在溫度較低時(shí)Freundlich方程的擬合效果更好。

3.3.2 凹凸棒改性土吸附重金屬離子Zn2+的等溫吸附模型擬合

Langmuir等溫方程擬合曲線中得到的相關(guān)系數(shù)較Freun?dlich等溫?cái)M合差，但其相關(guān)系數(shù)R2也都在0.9以上。飽和吸附量qm和表面吸附強(qiáng)度系數(shù)隨溫度的升高而增大。對(duì)比上述兩種方程擬合結(jié)果，兩種模型都能在一定程度上描述凹凸棒改性土對(duì)鋅離子的吸附，兩種模型線性擬合回歸方程的相關(guān)系數(shù)幾乎都在0.9以上。但比較兩者的相關(guān)系數(shù)可知，F(xiàn)reundlich方程的擬合結(jié)果更好。

4 結(jié)論

（1）在相同溫度下，比較靖遠(yuǎn)凹凸棒原礦和改性土對(duì)同濃度Zn2+的去除率和去除量可以看出，改性凹凸棒粘土對(duì)Zn2+的吸附比原礦有更好的效果。

（2）靖遠(yuǎn)凹凸棒原礦和改性土對(duì)Zn2+的吸附率隨著吸附時(shí)間增加而增加。靖遠(yuǎn)凹凸棒原礦和改性土的吸附性能隨著溫度的升高有所增強(qiáng)，但不是特別明顯。提高溫度使達(dá)到最大吸附率的時(shí)間縮短。

（3）采用Freundlich和Langmuir方程對(duì)靖遠(yuǎn)凹凸棒原礦和改性土的吸附等溫線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)兩種吸附模型都可以描述靖遠(yuǎn)凹凸棒原礦和改性土對(duì)Zn2+的吸附。通過比較相關(guān)系數(shù)，F(xiàn)reundlich方程的擬合結(jié)果更好。

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王藝潔（1986-），女，漢族，甘肅蘭州人，講師，工學(xué)碩士，單位：蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院，研究方向：污水及廢棄物處理，循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展

楊家萍（1987-），女，漢族，甘肅景泰人，講師，工學(xué)碩士，單位：蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院，研究方向：水污染控制

蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院校級(jí)課題：甘肅靖遠(yuǎn)凹凸棒粘土環(huán)保吸附材料的制備及性能研究，項(xiàng)目編號(hào)：2016BWJX004