CuZnMgAl水滑石衍生金属氧化物对废水中Pb（Ⅱ）的吸附

王军涛，陈兰萍，詹正坤

（1.咸宁学院 化学与生命科学学院，湖北 咸宁437100； 2.华中师范大学 化学学院，湖北 武汉430079）

CuZnMgAl水滑石衍生金属氧化物对废水中Pb（Ⅱ）的吸附

王军涛1＊，陈兰萍1，詹正坤2

（1.咸宁学院 化学与生命科学学院，湖北 咸宁437100； 2.华中师范大学 化学学院，湖北 武汉430079）

采用共沉淀法合成了不同物质的量之比的CuZnMgAl水滑石（CuZnMgAl－HT），采用X射线衍射仪和热分析仪分析了其晶体结构和热稳定性；将CuZnMgAl－HT的焙烧产物作为吸附剂，测定了其对废水中Pb（Ⅱ）的吸附性能.结果表明，最佳吸附条件为温度30℃，pH 6.0，初始浓度80mg/L，水滑石前体Cu、Zn、Mg、Al的金属物质的量之比为1∶1∶4∶2，吸附时间40min时，相应的吸附率可达95.23%.

水滑石；金属氧化物；二价铅；吸附

铅的工业应用非常广泛，每年要产生大量的含铅离子废水，铅与可溶性铅盐都有毒.含铅离子废水处理方法很多，其中最常用的方法是吸附法.目前己开发的吸附材料很多，如生物材料及其副产物、活性炭、天然或合成矿物等[1－4]，寻求高效廉价的铅吸附材料一直是人们研究的重点之一.

层状双金属氢氧化物是一类近年来发展迅速的层状阴离子型黏土[5]，又称水滑石（HT），层板带有永久正电荷，层间具有可交换的阴离子以维持电荷平衡.通过层板的同晶取代可以制备三元、四元含多种金属的水滑石.水滑石在一定温度下经过焙烧得到金属复合氧化物，其焙烧产物比水滑石前体的比表面积更大，广泛用作吸附剂等[6－8].

含锌镁元素的水滑石很容易得到高质量的产品[9－10]，而含铜水滑石难以得到纯度高的产品[11]，因此作者合成了CuZnMgAl四元水滑石，以其焙烧产物为吸附剂，利用正交实验手段首次对模拟废水中的二价铅进行了吸附研究.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Rigaku D/MAX－ⅢA型X射线粉末衍射仪（Cu靶辐射，波长0.154 06nm），日本理学株式会社，扫描速度为10°/min，扫描范围3°～70°；STA－449C综合热分析系统，德国耐驰公司，升温速率为10°/min；Perkin－Elmer Spectrum One红外光谱仪，美国珀金埃尔默公司，KBr压片；721型分光光度计，南京第四分析仪器有限公司.

Cu（NO3）3·6H2O、Mg（NO3）2·6H2O、Zn（NO3）2·6H2O、Al（NO3）3·9H2O、NaOH、Na2CO3、HNO3、Pb（NO3）2、二甲酚橙均为市售分析纯试剂，水为超纯水.

1.2 吸附剂的制备

采用低过饱和共沉淀法[9－10]合成了5种CuZnMgAl水滑石，水滑石中Cu、Zn、Mg、Al 4种金属元素的物质的量之比分别为1∶1∶1∶1，1∶1∶4∶2，1∶2∶3∶2，2∶1∶3∶2和1∶3∶2∶3.样品在80℃下真空干燥，制成60目的颗粒（水滑石前体），于马弗炉中430℃通N2灼烧4h，得焙烧产物，即为吸附剂.

1.3 吸附实验

取硝酸铅溶于超纯水中得到含Pb（Ⅱ）为100mg/L的标准溶液，为模拟含铅废水.

取50mL硝酸铅溶液，用HNO3和NaOH溶液调节溶液的pH为6.0.取焙烧水滑石100mg投入其中，控制温度，恒速磁力搅拌吸附，过滤，稀释，向稀释液中加入混合显色剂二甲酚橙，在540nm处进行吸光度测定.吸附率的计算公式：q＝（ρ0－ρt）/ρ0·100% ，ρ0和ρt为处理前后Pb（Ⅱ）溶液的质量体积浓度.

采用L25（55）正交表进行实验设计，因素和水平见表1.

表1 因素水平表Table 1 Factors and level

2 结果与讨论

2.1 吸附剂前体的表征

五种吸附剂前体（水滑石）都进行了XRD、TG－DTA测试，下面以CuZnMgAl水滑石（产品中四种金属的物质的量之比为1∶1∶1∶1），记为CuZnMgAl－HT（1111）为例进行说明.

2.1.1 XRD测试

图1是CuZnMgAl－HT（1111）的XRD图谱，清晰可见七个水滑石的特征衍射峰[4]，其中三个高级衍射峰d003、d006、d009有良好的倍数关系，且d110和d113两个衍射峰（2θ）在60°～62°之间清晰可辨，表明所合成的水滑石结晶良好，纯度较高.

2.1.2 TG－DTA测试

对所有的样品做TG－DTA测试，其中CuZnMgAl－HT（1111）的TG－DTA图谱如图2所示，曲线上出现两个明显的吸热峰和两个对应的失重过程.在225℃左右时脱去层间结晶水，在380℃左右出现了吸收分解峰，对应于层间和层板OH－分解生成CO2和H2O.焙烧温度一般比脱去层间小分子的峰温高50℃左右，作者选择430℃进行焙烧，焙烧时间为4h，以保证焙烧完全.

图1 CuZnMgAl－HT（1111）的 XRDFig.1 XRD spectra of CuZnMgAl－HT（1111）

图2 CuZnMgAl－HT（1111）的 TG－DTA测试Fig.2 TG－DTA of CuZnMgAl－HT（1111）

2.2 吸附实验结果

正交吸附实验的结果见表2，极差分析见表3.

表2 正交实验及结果Table 2 The orthogonal experiment

表3 极差计算Table 3 Analysis of range

从表3数据可以看出，第一因素温度的极差最大为19.59，说明温度为影响吸附效果的最重要因素，同时极差数据随温度变化大致为先升后降，此因素中A2水平为最优值，对应的最佳吸附温度为30℃.另外4个因素对吸附影响的大小顺序依次是：pH、初始浓度、金属物质的量之比、时间.同理知它们的最优水平分别为：B2，C3，D2，E2.因此最优吸附参数组合为A2B2C3D2E2.

2.3 各因素的水平对吸附率的影响

对表3中数据作图，影响吸附效率的各因素水平值变化趋势见图3.

2.3.1 温度对吸附率的影响

从图3可以看出，开始阶段吸附率随温度的上升快速升高，而当温度达到30℃，吸附率随温度的升高而开始降低.说明刚开始时，温度升高，活化分子增多，故吸附率也会相应增加，到最高点后化学吸附达到了饱和，脱附与之竞争，形成平衡，该吸附过程以化学吸附为主.化学吸附是放热反应，故温度继续上升吸附率反而下降，平衡向脱附方向移动，使表观吸附率下降.同时，整个吸附过程还包括物理吸附，物理吸附的结合力相对较弱，在过了最佳温度的后半阶段，物理吸附更倾向于解吸，因此总的吸附率会下降.

2.3.2 pH对吸附率的影响

图3表明，吸附率随pH的升高先增大后减小.pH较小时水中残余的浓度很小，有利于铅离子的吸附，但是pH过小，焙烧水滑石会开始溶解而遭到破坏.随着pH的增大，体系中的浓度开始增大，焙烧水滑石会显著吸附从而恢复水滑石的层状结构，对铅离子的吸附作用减弱，所以吸附率开始下降.由图3可知，吸附体系的酸度不能过小，也不能很大，pH＝6.0最合适.

2.3.3 时间、物质的量之比和初始浓度对吸附率的影响

图3表明，吸附率随吸附时间的增加而增加.在前40min吸附作用最快，随后缓慢增加.可能吸附是分为两个阶段，分别对应于焙烧水滑石的表面吸附和层间吸附，层间吸附显然要克服空间阻力，吸附相对困难，表现在吸附时间上是往后延迟的.

图3表明，物质的量之比对吸附率有比较明显的影响，简单而言的值越小，水滑石及其焙烧产物的层板正电荷密度有变大的趋势，因而对铅离子的吸附会减弱.

图3还表明，随着初始浓度的增加，吸附率先增大后减小，在80mg/L时达到峰值，出现平衡点，这是由于吸附过程中同时存在化学吸附和物理吸附造成的.

图3 因素水平的变化趋势图Fig.3 Variation trend of factors and level

2.4 最佳反应条件下的重复性实验

根据前面的实验结果，吸附铅离子的最佳实验条件为：吸附剂为CuZnMg4Al2水滑石焙烧产物，温度为30℃，pH＝6.0，初始浓度为80mg/L，吸附时间为40min.在此条件下进行重复性实验，结果见表4.

表4 最佳工艺条件下重复实验结果Table 4 The results of repeated tests under optimum experiment conditions

由表4可知，制备的吸附剂活性高，重现性好，对二价铅离子的平均吸附率可达到95.23%.

[1]张 鑫.纳米零价铁去除水中重金属离子的研究进展[J].化学研究，2010，21（3）：97－100.

[2]胡 罡，张 利，童明容.聚乙烯包埋龟裂链霉菌对水中Pb2＋吸附性能的研究[J].离子交换与吸附，2000，33（2）：28－31.

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Adsorption lead ion in waste water by metallic oxides derived from CuZnMgAl－hydrotalcites

WANG Jun－tao1＊，CHEN Lan－ping1，ZHAN Zheng－kun2

（1.SchoolofChemistryandLifeScience，XianningCollege，Xianning437100，Hubei，China；2.SchoolofChemistry，CentralChinaNormalUniversity，Wuhan430079，Hubei，China）

CuZnMgAl－hydrotalcites （CuZnMgAl－HT ）with different metal molar ratios were synthesized by coprecipitation method.The crystal structure and thermal stability of as－synthesized CuZnMgAl－HT were analyzed by means of X－ray diffraction and thermal analysis.Moreover，as－synthesized CuZnMgAl－HT was calcinated，and the adsorption performance of the calcinated product，compound metal oxides，for Pb（Ⅱ）in waste water was examined.The optimum condition for adsorption is suggested as temperature 30℃ ，pH value 6.0，initial lead ion concentration 80mg/L，CuZnMgAl－HT precursor metal molar ratio of Cu、Zn、Mg、Al was 1∶1∶4∶2，and adsorption time 40min.Corresponding adsorption rate reaches as much as 95.23%.

hydrotalcite；metallic oxides；lead（Ⅱ）；adsorption

X 703

A

1008－1011（2012）01－0039－04

2011－06－22.

咸宁学院第四期大学生课外科技项目，咸宁学院校级青年科研项目（KY10051）.

王军涛（1979－），男，讲师，博士，研究方向为多孔、层状功能材料.＊

，E－mail：wangjt3235＠yahoo.com.cn.