謝偉芳，阮小燕，程 婷

（1江蘇城市職業(yè)學(xué)院 江蘇 南京 210017）

（2南京信息工程大學(xué) 江蘇 南京 210044）

1 引言

鉛是可在人體和動(dòng)物組織中積蓄的有毒金屬。主要來源于各種油漆、涂料、蓄電池、冶煉、五金、機(jī)械、電南丹礦區(qū)污染嚴(yán)重鍍、化妝品、染發(fā)劑、釉彩碗碟、餐具、燃煤、膨化食品、自來水管等。鉛對(duì)水生生物的安全濃度為0.16mg/L，用含鉛0.1～4.4mg/L的水灌溉水稻和小麥時(shí)，作物中鉛含量明顯增加。

隨著工業(yè)排污量的急劇增加，大量重金屬污染物排向環(huán)境，使得水體和土壤中重金屬濃度嚴(yán)重超標(biāo)。因此，近年來重金屬污染物的去除成為研究熱點(diǎn)[1-4]。鉛污染是重金屬污染中毒性較大的一種。鉛作為原料常用于農(nóng)藥、蓄電池、電鍍、顏料、橡膠、燃料等制造業(yè)。鉛及其化合物主要通過呼吸道與消化道侵入人體，對(duì)人體健康產(chǎn)生極其不利的影響。由于鉛及其化合物對(duì)環(huán)境和人體造成嚴(yán)重危害，因此被列為“中國環(huán)境優(yōu)先污染物黑名單”之一。粉煤灰是燃煤電廠排放的固體廢棄物，來源廣泛，價(jià)格低廉，具有較大的比表面積和固體吸附性能[5，6]。近年來，利用凹凸棒與作為吸附劑去除水中重金屬離子的研究備受關(guān)注。以前的研究結(jié)果表明凹凸棒土及其合成材料對(duì)水中重金屬離子具有較好的去除能力[7-10]。

本文利用Keggin離子改性的凹凸棒土（以下簡(jiǎn)稱改性土）為基本吸附材料處理重金屬，在得到良好吸附效果的同時(shí)為重金屬的吸附研究提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 材料與儀器

本次試驗(yàn)所用的凹凸棒土取自江蘇盱眙。

試劑：硝酸鉛（優(yōu)級(jí)純）；氫氧化鈉；六水-三氯化鋁；硝酸；鹽酸；均為分析純。實(shí)驗(yàn)中所用儀器設(shè)備及型號(hào)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)中所用儀器設(shè)備及型號(hào)

2.2 Keggin離子制備

配制0.2mol/L的AlCl3溶液和0.5mol/L的NaOH溶液，將一定量的溶液置燒杯中，在60℃恒溫水浴中加熱攪拌；按OH-/A13+=2.4(mol比)的量比，將NaOH溶液緩慢滴入AlCl3溶液中；滴完后將溶液移入磨口錐形瓶中，繼續(xù)攪拌加熱2h后停止攪拌，用膠塞封住瓶口，然后在60℃下靜置48小時(shí),得無色透Keggin離子溶液。

2.3 改性凹凸棒土的的制備

將上述離子溶液，離心取上清液，以100ml加2g凹凸棒土的量加入磨口錐形瓶中，60℃下攪拌兩小時(shí)后，靜置48小時(shí)，得改性土。

2.4 分析方法與相關(guān)計(jì)算公式：

重金屬去除率計(jì)算公式為：η=(C0-Ce)／C0×100%

式中，C0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。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 改性凹凸棒土投加量的影響

改性凹凸棒土的投加量分別：0.125、0.25、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、6.5 g/L，Pb2+ 初始濃度為200 mg /L，初始PH為7，反應(yīng)時(shí)間為1.5h。

改性凹凸棒土投加量對(duì)Pb2+的去除率的影響見圖1。

圖1 改性凹凸棒土投加量對(duì)Pb2+去除率的影響

由圖1可知，當(dāng)改性土投加量為0.50～2.50g/L時(shí)，Pb2+去除率隨著改性土投加量的增大而上升，由0.50g/L時(shí)的14%增加到2.50g/L時(shí)的98%，此時(shí)反應(yīng)趨于平衡；而改性土投加量繼續(xù)增加到6.50g/L時(shí)，Pb2+去除率變化不大。

3.2 不同初始PH的影響

為觀察不同PH對(duì)改性土吸附性能的影響并確定吸附最佳pH，調(diào)節(jié)吸附體系的初始pH分別為2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，重金屬Pb2+溶液的初始濃度為200mg/L，吸附劑投加量為2.00g/L，反應(yīng)時(shí)間為1.5h。初始pH對(duì)改性凹凸棒土吸附水中Pb2+去除效果影響見圖2。

圖2 不同初始PH對(duì)Pb2+去除率的影響

由圖2可以看出，當(dāng)初始pH為3～6時(shí)，隨著初始pH的升高，改性凹凸棒土對(duì)Pb2+的去除率不斷提高，Pb2+去除率由初始pH為2時(shí)的1%提高到pH為6時(shí)的99%；然而，當(dāng)pH為7時(shí)，Pb2+去除率提高不大；當(dāng)PH為7～11時(shí)，Pb2+去除率均接近100%，即pH在此范圍對(duì)改性凹凸棒土吸附效果的影響不大。

pH不僅影響到吸附劑的表面電荷，還會(huì)影響吸附劑和金屬離子的存在狀態(tài)，從而影響它們之間的相互作用。推測(cè)：低pH的條件下，由于溶液中H+濃度較大，占據(jù)了吸附劑的位置，與Pb2+形成了競(jìng)爭(zhēng)吸附，造成改性凹凸棒土對(duì)Pb2+的去除效果較差；而隨著pH的逐漸升高，離子交換作用增強(qiáng)，Pb2+離子逐步取代改性凹凸棒土表面的H+離子，Pb2+去除率逐漸增大；當(dāng)pH過高時(shí)，水溶液中氫氧根離子增多，與Pb2+發(fā)生沉淀作用，去除率較高。

3.3 改性凹凸棒土和凹凸棒原土對(duì)Pb2+的吸附效果的影響

試驗(yàn)選取25℃，考察改性凹凸棒土和凹凸棒原土對(duì)Pb2+吸附效果。其中Pb2+初始濃度為200mg/L，吸附劑用量為2.00g/L，體系pH為7，反應(yīng)時(shí)間為0～12h。

圖3 不同反應(yīng)時(shí)間改性凹凸棒土和凹凸棒原土對(duì)Pb2+的吸附

由圖3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加反應(yīng)，改性凹凸棒土和凹凸棒原土對(duì)Pb2+的吸附的去除效果顯著增加，總體上說改性土吸附效果明顯強(qiáng)于原土。

3.4 不同改性凹凸棒土投加量對(duì)Cd2+和Pb2+競(jìng)爭(zhēng)吸附的研究

試驗(yàn)選取50、100、150mg/L 3個(gè)混合重金屬離子初始濃度，研究不同濃度條件下合成沸石對(duì)Cd2+和Pb2+兩種重金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附。不同初始濃度時(shí)改性凹凸棒土對(duì)Cd2+和Pb2+競(jìng)爭(zhēng)吸附的影響如圖1至圖3所示，其中吸附體系反應(yīng)溫度為25℃，體系初始pH7，振蕩時(shí)間為1.5h，吸附劑投加量分別為 0.5、1、2、5、8、12、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80 和 90mg/L。

圖4 初始濃度為50mg/L時(shí),不同吸附劑投加量對(duì)Cd2+和Pb2+吸附量的變化

圖5 初始濃度為100mg/L時(shí),不同吸附劑投加量對(duì)Cd2+和Pb2+吸附量的變化

圖6 初始濃度為150mg/L時(shí),不同吸附劑投加量對(duì)Cd2+和Pb2+吸附量的變化

從圖4至圖6的試驗(yàn)結(jié)果明顯看出，兩種重金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附順序以及吸附量的大小與混合重金屬離子的初始濃度無關(guān)。改性凹凸棒土對(duì)Cd2+和Pb2+吸附量順序?yàn)镃d2+＞Pb2+。當(dāng)混合重金屬離子初始濃度為50mg/L時(shí)，凹凸棒土對(duì)Cd2+的去除率達(dá)到67.33%～83.13%，而同等條件下的Pb2+去除率則為59.64～62.97%（圖4），可見在混合重金屬溶液中凹凸棒土對(duì)Cd2+的吸附相對(duì)強(qiáng)于Pb2+，而且從圖4中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)凹凸棒土投加量小時(shí)，Cd2+和Pb2+的去除率差距較小，隨著吸附劑投加量的增加，兩則吸附能力的差距越來越明顯。

當(dāng)混合重金屬離子初始濃度為100mg/L時(shí)，凹凸棒土對(duì)Cd2+的去除率達(dá)到53.41%～80.94%，而同等條件下的Pb2+去除率則為44.54～60.58%（圖5），研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)重金屬溶液含量增加一倍，凹凸棒土對(duì)重金屬的吸附率雖然有所減弱，但是并沒有呈現(xiàn)減半效應(yīng)。此外表現(xiàn)同樣的吸附規(guī)律：在混合重金屬溶液中凹凸棒土對(duì)Cd2+的吸附相對(duì)強(qiáng)于Pb2+，而且從圖5中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)凹凸棒土投加量小時(shí)，Cd2+和Pb2+去除率差距較小，隨著吸附劑投加量的增加，兩則吸附能力的差距越來越明顯。

當(dāng)混合重金屬離子初始濃度為150mg/L時(shí)，凹凸棒土對(duì)Cd2+的去除率達(dá)到47.16%～86.35%，而同等條件下的Pb2+去除率則為48.72～63.31%（圖6），此外表現(xiàn)同樣的吸附規(guī)律：在混合重金屬溶液中凹凸棒土對(duì)Cd2+的吸附相對(duì)強(qiáng)于Pb2+，而且從圖6中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)凹凸棒土投加量小時(shí)，Cd2+和Pb2+的去除率差距較小，隨著吸附劑投加量的增加，兩則吸附能力的差距越來越明顯。

4 結(jié)語

（1）改性凹凸棒土投加量對(duì)Pb2+的吸附性能影響顯著，當(dāng)投加量達(dá)到2.5mg/L時(shí)，Pb2+的吸附量達(dá)到飽和。

（2）不同的pH值對(duì)Pb2+的吸附性能影響顯著，當(dāng)pH達(dá)到6～8時(shí)，Pb2+的吸附效果最佳，一般pH取7。

（3）對(duì)改性凹凸棒土和凹凸棒原土對(duì)Pb2+的吸附效果研究發(fā)現(xiàn)：改性土吸附效果明顯強(qiáng)于原土。

（4）不同改性凹凸棒土投加量對(duì)Cd2+和Pb2+競(jìng)爭(zhēng)吸附的研究發(fā)現(xiàn)：在混合重金屬溶液中凹凸棒土對(duì)Cd2+的吸附相對(duì)強(qiáng)于Pb2+；當(dāng)凹凸棒土投加量小時(shí)，Cd2+和Pb2+的去除率差距較小，隨著吸附劑投加量的增加，兩者去除率的差距越來越明顯。

[1]楊晶.檸檬酸桿菌吸附重金屬鎘的研究[J].水處理技術(shù)，2009，35（5）：64-66.

[2]臧運(yùn)波，武耐英.殼聚糖及其衍生物對(duì)重金屬離子吸附性能的影響[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（1）：5-8.

[3]龔安華，孫岳玲.鹽酸改性凹凸棒土對(duì)銅離子的吸附性能[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（2）：313-315.

[4]饒品華，張文啟，李永峰，等.氧化鋁對(duì)水體中重金屬離子吸附去除研究[J].水處理技術(shù)，2009，35（12）：71-74.

[5]蔡昌鳳，徐建平.礦區(qū)電廠粉煤灰物化特性與吸附特性關(guān)聯(lián)研究[J].安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，20（4）：1-4.

[6]程蓓，馬保國，陳銀洲.粉煤灰顆粒表面吸附性能與活性研究[J].粉煤灰綜合利用，1999（1）：17-18.

[7]潘國營，周衛(wèi)，王素娜.粉煤灰處理含鉛廢水的試驗(yàn)研究[J].煤炭工程，2008（9）：77-79.

[8]崔杏雨，陳樹偉，閆曉亮，等.粉煤灰合成Na-X 沸石去除廢水中鎳離子的研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（6）：752-756.

[9]周利民，劉峙嶸，黃群武.粉煤灰對(duì)二價(jià)金屬離子的吸附特性[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（4）：416-419.

[10] WEI Q，YING Z.Removal of lead，copper，nickel，cobalt，and zinc from water by a cancrinite-type zeolite synthesizedfrom fly ash[J].Chemical engineering Journal，2009，145（3）：483-488.

[11] MIYAJI F，MURAKAMI T，SUYAMA Y.Formation of lindeFzeolite by KOH treatment of coal fly ash[J].Journal of theCeramic Society of Japan，2009，117（5）：619-622.