中圖分類號：TQ424.29 文獻標志碼：A文章編號：1004-0935（2025）06-0937-06

重金屬污染是全球范圍內環(huán)境污染的重大問題之一，尤其在工業(yè)化程度較高的地區(qū)，廢水中含有大量重金屬離子，如鉛（ Pb²⁺ ）、鎘（ Cd²⁺ ）鉻（ Cr⁶⁺ ）和汞（ Hg²⁺ ）等。重金屬具有生物累積性和高毒性，進而對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生不可逆的影響。鉛作為一種典型的重金屬離子，廣泛應用于電池、冶金、涂料和石化等行業(yè)，其排放的廢水若未經(jīng)過適當處理，極易導致土壤和水體污染2。因此，如何有效去除廢水中的 Pb²⁺ 成為環(huán)境治理領域的一個重要研究方向。

目前，處理重金屬廢水的方法主要有化學沉淀法、離子交換法、電解法、膜分離法和吸附法等-6]。其中，吸附法因其操作簡單、成本低、效果穩(wěn)定而被廣泛應用于重金屬污染的處理7-8]。吸附劑的選擇是決定吸附法效果的關鍵，因此開發(fā)高效、經(jīng)濟且環(huán)境友好的吸附劑成為該領域的研究熱點。

高嶺土是一種天然的層狀硅酸鹽礦物，具有良好的吸附性能和豐富的資源分布，因此在水處理領域受到廣泛關注。高嶺土的結構由硅氧四面體和鋁氧八面體交替排列而成，具有較大的比表面積和獨特的層狀結構，這使得其在吸附重金屬離子方面具有潛力。然而，天然高嶺土表面的活性位點較少，吸附容量有限，難以滿足處理高濃度重金屬廢水的要求[10-]。因此，研究人員通過對高嶺土進行物理或化學改性，改善其表面性質以提高吸附性能。常見的改性方法包括焙燒、酸處理、堿處理、金屬氧化物負載等[12-15]。其中，酸改性通過去除高嶺土表面的雜質，增加其表面活性位點，從而顯著提高其吸附能力。已有研究表明，改性后的高嶺土在處理多種重金屬離子（如鎘、鉻和銅等）表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附效果。例如，焙燒結合酸處理的高嶺土在去除 Cd²⁺ 時，其吸附能力較天然高嶺土提高了 2倍以上[。此外，酸改性高嶺土不僅在靜態(tài)吸附實驗中表現(xiàn)出良好的效果，還在動態(tài)吸附實驗中展現(xiàn)了較高的吸附速率[17-19]。因此，將酸改性高嶺土用于廢水中 Pb²⁺ 的吸附治理，具有重要的研究價值。

本研究通過對天然高嶺土進行活化和酸改性，研究其對 Pb²⁺ 的吸附性能，并通過單因素實驗和正交實驗法，系統(tǒng)考察活化溫度、 Pb²⁺ 初始濃度、吸附時間、吸附溫度及溶液 pH 等因素對吸附效果的影響。研究旨在找出改性高嶺土對 Pb²⁺ 吸附的最佳條件，并分析其吸附機理。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，期望為高效去除廢水中 Pb²⁺ 提供一種經(jīng)濟且環(huán)保的吸附劑材料。本研究不僅為高嶺土改性在水處理中的應用提供了新思路，也為重金屬廢水的處理技術提供了理論支持。

1實驗部分

1.1 實驗原料、試劑與儀器

原料：天然高嶺土（天津市科密歐化學試劑有限公司）

試劑：硝酸鉛、鹽酸、氫氧化鈉，以上試劑均為分析純級別；實驗用水為蒸餾水。

儀器：真空干燥箱（上海-恒科學儀器有限公司）；DF-101C型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（予華儀器有限責任公司）；TD3低速離心機（湖南湘儀儀器有限公司）；AUY120電子分析天平（日本島津）AA-7000原子分光光度計（日本島津）； ΔpH 計（上海越平科儀有限公司）等。

1.2 實驗方法

1.2.1 改性高嶺土的制備

對高嶺土進行改性，首先需要通過高溫活化高嶺土，然后與酸反應以部分脫除活性鋁。具體步驟如下：取5個坩，各加入 天然高嶺土，在馬弗爐中分別于 200～1000^°C 下活化 3h 活化結束后，自然冷卻至室溫，隨后加入 4mol?L^-1 鹽酸進行酸改性，控制高嶺土與鹽酸的質量比為1：2。在持續(xù)攪拌下反應 ^7h ，反應結束后進行水洗至中性，隨后抽濾。所得固體在 120°C 下烘干 ^1h ，最后研磨得到干燥的酸改性高嶺土。

1.2.2 酸改性高嶺土吸附劑對 Pb²⁺ 的吸附

1）高嶺土活化溫度的影響

分別稱取在250、350、500、800和 1000° 下活化的改性高嶺土各 0.1g ，分別置于5個 250mL 廣口瓶中。每個廣口瓶中加入 30mL 初始濃度為50mg.L^-1 的 Pb²⁺ 溶液。將恒溫加熱磁力攪拌器的溫度設置為 60^°C ，并將廣口瓶置于攪拌器上反應 30min 反應結束后，將樣品以 2 000r?min^-1 的速度離心20min ，取上層清液并稀釋10倍。隨后，使用原子吸收分光光度計測定清液中 Pb²⁺ 濃度，計算吸附率，如式1所示。

吸附率 式中： η （20 去除率， % ：ρ₀ 吸附前 Pb²⁺ 溶液的質量濃度， mg.L^-1 ρ_t 吸附后 Pb²⁺ 溶液的質量濃度， mg.L^-1 0v- -Pb2溶液的體積， mL 。

2）吸附條件對 Pb²⁺ 吸附效果的影響

按照1）處理方法，分別在不同 Pb²⁺ 初始濃度（10、30、50、70和 90mg?L^-1 ）、吸附時間（10、25、40、55、 70min ）、吸附溫度（20、40、65、75和 85^°C ） pH（3，4，5，6，7） 的條件下分別進行單因素吸附實驗，獲得不同吸附條件下酸改性高嶺土吸附劑對 Pb²⁺ 去除率。

2 結果與討論

2.1活化溫度對酸改性高嶺土吸附 Pb²⁺ 的影響

由圖1可以看出，高嶺土的活化溫度對 Pb²⁺ 的吸附能力有顯著影響。隨著活化溫度從250 C 逐漸升高，高嶺土對 Pb²⁺ 的吸附效率不斷提升，并在 350‰ 時達到最高值。然而，繼續(xù)升高溫度后，吸附效率逐漸下降，當活化溫度達到1000 C 時，吸附效率處于最低值。這表明，當活化溫度為 350°C 時，高嶺土對 Pb²⁺ 的吸附效果最佳。

這反映了高嶺土在不同溫度下的結構變化。當溫度升至110 °C 時，高嶺土表面的吸附水開始逐步被移除；隨著溫度進一步升高至 350°C ，高嶺土的比表面積增大，吸附性能相應增強[2]。然而，當溫度超過 350‰ 時，高嶺土中的羥基以水分子形式排出導致其結構發(fā)生變化，吸附能力明顯下降。因此，在后續(xù)實驗中均采用 350°C 活化后酸改性的高嶺土進行。

2.2 Pb²⁺ 濃度對酸改性高嶺土吸附 Pb²⁺ 的影響

從圖2可以看出，當 Pb²⁺ 濃度從 10mg?L^-1 增加至 30mg?L^-1 時，改性高嶺土對 Pb²⁺ 的吸附率逐漸升高，但當 Pb²⁺ 濃度超過 30mg?L^-1 時，吸附率繼續(xù)緩慢降低，在濃度超過 70mg?L^-1 時，吸附率急劇下降。這表明，在 30mg?L^-1 的 Pb²⁺ 濃度下，改性高嶺土的

吸附效率達到最高。

在低濃度范圍內， Pb²⁺ 離子與高嶺土表面的活性位點之間存在較高的結合力，導致吸附率上升。隨著 Pb²⁺ 濃度的增加，更多的離子可以與吸附劑發(fā)生作用，占據(jù)吸附位點，從而提高吸附效率。然而，當 Pb²⁺ 濃度過高時，活性位點逐漸被飽和，導致競爭吸附現(xiàn)象加劇[。這時，剩余 Pb²⁺ 離子濃度增加，最終導致整體去除率降低。因此，為了確保最佳的去除效果，實驗中選用的 Pb²⁺ 濃度為 30mg?L^-1 。

2.3 吸附時間對酸改性高嶺土吸附 Pb²⁺ 的影響

從圖3可以看出，在吸附時間為 55min 以內，改性高嶺土對 Pb²⁺ 的吸附率隨時間的增加而逐漸提高。然而，當吸附時間超過 55min 后，吸附率稍有降低，表明吸附過程已接近飽和。因此，實驗中選定的最佳吸附時間為 55min 。

吸附時間對去除率的影響可以解釋為吸附動力學過程的特征。在初始階段， Pb²⁺ 離子與高嶺土表面之間的相互作用較強，吸附速率較高，吸附率隨時間迅速上升。然而，隨著時間的延長，活性位點的逐漸被占據(jù)導致吸附速率減緩2]。當達到一定時間后，絕大多數(shù)活性位點已被 Pb²⁺ 離子占用，進一步的吸附反應受到限制，從而導致吸附率的降低。因此，選擇 55min 作為最佳吸附時間能夠有效提高Pb²⁺ 的去除效率。

2.4 溫度的影響

從圖4可以看出，當溫度從 20^qC 升高至65 C 時，改性高嶺土對 Pb²⁺ 的吸附率隨溫度的增加而逐漸上升。然而，當溫度超過65 C 后，吸附率的上升速率加快，而在溫度超過 75°C 時，吸附率又迅速下降。在較低溫度范圍內，溫度的提高有助于增加Pb²⁺ 離子的動能，使其更頻繁地與高嶺土表面發(fā)生碰撞，從而提高了吸附效率。此外，較高溫度可能促進高嶺土的結構和表面特性變化，進一步提升其吸附能力。然而，溫度過高時，可能導致高嶺土的結構穩(wěn)定性下降，或使得 Pb²⁺ 離子在溶液中的存在形式發(fā)生變化，從而抑制其吸附過程[22]。因此，選擇適宜的溫度范圍是優(yōu)化吸附效果的關鍵因素。因此，實驗中選定的最佳吸附溫度為 75°C ○

2.5溶液 pH 對酸改性高嶺土吸附 Pb²⁺ 的影響的影響

從圖5可以看出，當溶液 pH 為3＼～4時，改性高嶺土對 Pb²⁺ 的吸附率極低；而當 pH 超過4時，吸附率迅速增加。隨后，在 pH 為5＼～6時，吸附率以緩慢的速度增加，pH超過6時，吸附率幾乎呈現(xiàn)直線增長。這一現(xiàn)象表明， pH 對離子吸附有顯著影響。pH對離子吸附的影響主要有兩個方面。一方面，pH 較低時， H⁺ 濃度高，與 Pb²⁺ 存在競爭吸附作用，影響對 Pb²⁺ 的吸附效果[1；另一方面， ΔpH 還會改變Pb²⁺ 離子的存在形式，較高 pH 條件能促進 Pb²⁺ 的有效羥基化，提升其在高嶺土表面的吸附能力[22]。此外，由于 Pb²⁺ 在 pH 為7.2時開始沉淀，因此實驗中選定的最佳吸附pH為 7①

2.6 正交實驗結果分析

根據(jù)單因素實驗結果，固定改性高嶺土的用量為 0.1g ，選擇濃度、時間、溫度和 pH 作為正交實驗的因素，并為每個因素設定3個水平，從而設計L₉（3⁴） 的正交實驗[23]，結果如表1和表2所示。

從表2中的極差分析可以看出，4個因素對改性高嶺土吸附 Pb²⁺ 的影響主次順序為：濃度（A） gt; 時間（B） gt; 溫度（C）。根據(jù)實驗結果，改性高嶺土對 Pb²⁺ 的最適合吸附條件為 A₃B₃C₂D₁ 即 Pb²⁺ 濃度為 50mg?L^-1 、吸附時間為 70min 、吸附溫度為75℃、 Pb²⁺ 溶液 pH 為5。基于這一條件，進行了3次平行實驗，結果顯示3次實驗的平均吸附率為 98.99% 。因此，確定上述條件為改性高嶺土對 Pb²⁺ 吸附的最佳條件。

2.7 吸附機理分析

吸附動力學的研究表明，改性高嶺土對 Pb²⁺ 的吸附過程更符合準二級動力學模型[圖6（a）]，擬合線性度達到 99% ，表明吸附過程主要為化學吸附[24]。在化學吸附過程中， Pb²⁺ 與高嶺土表面上的活性位點通過形成化學鍵的方式進行結合，這進一步強化了吸附的穩(wěn)定性和不可逆性。高嶺土經(jīng)過酸改性后，表面積顯著增加，表面羥基數(shù)量增多，為 Pb²⁺ 提供了更多的活性位點。此外，酸處理部分脫除了活性鋁，增加了高嶺土的孔隙率，使其能夠吸附更多的Pb²⁺ 。

在等溫吸附研究中，改性高嶺土對 Pb²⁺ 的吸附更符合Langmuir模型[圖6（b）]，擬合線性度超過 99% 這表明吸附行為屬于單分子層吸附[24。Langmuir模型的適用性說明了改性高嶺土表面的吸附位點是有限且均勻分布的。結合高嶺土的微觀結構變化，酸改性后形成了較多孔隙和新的吸附位點，使 Pb²⁺ 能夠通過單分子層吸附均勻地分布在其表面，這也解釋了其高效的吸附能力。

3結論

本研究通過對天然高嶺土進行高溫活化和酸改性處理，系統(tǒng)探討了其對廢水中 Pb²⁺ 的吸附性能，得出了以下結論：

1）酸改性后的高嶺土對 Pb²⁺ 具有顯著的吸附能力，并受多種因素的影響。通過單因素實驗和正交實驗分析，確定了吸附 Pb²⁺ 的最佳條件為： Pb²⁺ 初始濃度為 50mg?L^-1 、吸附時間為 70min 、吸附溫度為75^°C 、溶液 pH 為5。在此條件下，改性高嶺土對Pb²⁺ 的吸附率可達到 98.99% 。

2）機理研究表明，吸附過程符合準二級動力學模型和Langmuir模型，說明 Pb²⁺ 的吸附以化學吸附和單分子層吸附。這與高嶺土經(jīng)酸改性后形成的多孔結構和增加的活性位點密切相關。

綜上所述，酸改性高嶺土在去除水體中 Pb²⁺ 方面具有良好的應用前景，為重金屬廢水治理提供了理論依據(jù)和實踐參考，具有重要的潛在應用價值。

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Study of Pb²⁺ Adsorption Performance by Acid-modified Kaolin in Wastewater

TANG Qing ^1，2 ， HUANG Mingxin1， ZHANG Xiaoxin1， KONG Minghua1， XIE Jingjing1， YAN Zijun1 （1.FacultyofEnvironmental and Chemical Enginering， Zhaoqing University， Zhaoqing Guangdong 5261oo， China; 2. Guangdong Provincial KeyLaboratory ofEco-environmental Studies andLow-carbon Agriculture inPeri-urban Areas， Zhaoqing Guangdong 526100， China）

Abstract： This study investigated the adsorption performance of acid-modified kaolin for Pb²⁺ in wastewater and explored the key factorsaffectingitsadsorptioneiciency.Aftermodifyingthnaturalkaolintroughactivationandacidtreatment，theectsof experimental parameters on Pb²⁺ adsorption were systematically investigated using single-factor experiments and orthogonal tests. The results showed that acid-modified kaolin exhibited significant adsorption capacity for Pb²⁺ .Under the optimal conditions of an activation temperature of 350^°C ，aninitial Pb²⁺ concentration of 50mg?L^-1 ，an adsorption time of 70 minutes，an adsorption temperature of 75^°C ，and a solution pH of 5， the adsorption rate reached 98.99% .The adsorption mechanism analysis indicated that the process wasmainly dominated bychemical adsorption，and itconformedtotheLangmuir monolayeradsorption model.Acid modification enhanced the surface areaand active sites of kaolin，making it more effective in adsorbing Pb²⁺ and improving its capacity toremove heavymetalions.Thisstudyprovidesatheoretical foundationfortheappicationofmodifiedkaolininthetreatmentof wastewater contaminated with heavy metals， and it holds significant environmental and practical value.