硫酸钙晶须对水中Pb2+的吸附性能

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

硫酸钙晶须对水中Pb2+的吸附性能

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

利用硫酸钙晶须对含Pb2+水样进行静态吸附试验，研究了其对Pb2+的吸附性能及机理。试验结果表明,硫酸钙晶须对Pb2+的去除效果好、处理效率高，其对Pb2+的去除率可达到97.54%。同时，根据吸附热力学和吸附动力分析可知，硫酸钙晶须对Pb2+的主导吸附方式为单分子层的化学吸附，吸附规律可用Langmuir方程和二级动力学方程进行很好地模拟。

硫酸钙晶须；Pb2+；吸附；等温方程；动力学方程

硫酸钙晶须是一种性价比很高的绿色环保材料[1]。它具有结构松散、密度小、比表面积大、无毒等特性，利用晶须松散的结构和其表面活性，可以用作啤酒、饮料和药品等的过滤。同时在废水处理中也可以对其应用，刘玲[1]等利用硫酸钙晶须对含乳化油废水进行了处理，在一定条件下,硫酸钙晶须破乳除油效果较好,除油率达97.08%。陈晓娟[2]等利用硫酸钙晶须对As(ⅠⅠⅠ)∕As(Ⅴ)进行吸附，效果较好，并且提出对晶须进行稳定化处理和表面进行改性的建议。杨双春[3]等在硫酸钙晶须对镉、镍、铅的吸附研究中发现,硫酸钙晶须对铅离子具有良好的定量吸附和解吸功能,且重复再生性能较好。因此，本文在硫酸钙晶须的吸附应用方面进行探讨和研究，使用硫酸钙晶对Pb2+的吸附特性、机理进行分析和研究。

1 试剂及仪器

试验中所用Pb(NO3)2、HCl、NaOH均为分析纯；溶液均采用自制去离子水配置；本试验使用的硫酸钙晶须为武汉大学固废资源化实验室使用脱硫石膏制备得到；扫描电子显微镜（荷兰FEⅠ公司，Quanta 200），等离子体发射光谱仪（澳大利亚Agilent公司，5100 SⅤDⅤ）；离心机；六联电动搅拌器。

2 试验过程

本试验为静态吸附试验，配置一定浓度Pb2+水样，采用锥形瓶作为反应器；用搅拌子来使水溶液产生旋流；多联式磁力加热式搅拌器，连接感温探头控制水温。试验过程中控制温度为25℃(温度控制在±0.5℃)，搅拌速度200r∕min。精确记录试验时间，在到达预设时间后，静置30min,抽取一定量的混合液注入离心管中，进行离心，设定离心时间为10分钟，转速3000r∕min。使用一次性针式微孔滤膜取离心管中的上清液，对滤液使用等离子体发射光谱仪进行铅离子浓度分析。通过改变水样pH、处理时间、水样浓度、硫酸钙晶须投加量的单因素进行试验研究，每个单因素试验均有3组平行试验。用等离子光谱仪（ⅠCP）测定上层清液的Pb2+含量。

3 结果与讨论

3.1pH对吸附效果的影响

pH对金属氧化物吸附金属离子起到非常大的影响[4]。pH对吸附效果的影响见图1，铅的去除率随pH上升而上升其原因为：1. pH越高晶须表面形成羟基化从而导致负电荷越多，对Pb2+的吸附能力就越强。2.各金属离子均有一个临界pH值，当超过该值以后，离子的水解和沉淀占主导地位[5]。3.当pH大于7以后Pb2+的去除率上升的主要原因可能是吸附与沉淀共同的作用。

图1 pH对吸附的影响

3.2 时间对吸附效果的影响

硫酸钙晶须在短时间内对铅的去除效果非常明显，在处理Pb2+浓度为2.73mmol∕L，由图2可见，30分钟时，去除率即达到67.97%。从90分钟到120分钟时，铅去除速率放缓，可能是因为晶须吸附位点和水样中铅的浓度都已大大减少。全过程在120分钟内，去除速率明显增大，在120分钟到360分钟之间去除率基本保持稳定，在360分钟时去除率已近达到97%，溶液平衡浓度仅为24.56mg∕L。有此可知，在120分钟时吸附过程基本已近达到平衡状态。

图2 时间对吸附的影响

3.3 初始Pb2+浓度对吸附效果的影响

图3 初始浓度对吸附的影响

当含铅水样浓度高8.2mmol∕L时，见图3，硫酸钙晶须对铅的吸附量的趋势基本平缓，虽然去除率下降，但是吸附量随水样初始浓度呈相关度较高的线性递增关系可知其对铅的吸附能力仍然保持一个较高的趋势上升，随着Pb2+离子浓度增多，吸附剂与吸附质之间接触和碰撞的机会增大，导致吸附量随之增大[6]。随着Pb2+离子浓度增多，吸附剂与吸附质之间接触和碰撞的机会增大，导致吸附量随之增大。由此推测水样中Pb2+浓度越大浓则可以提高附剂和吸附质的接触几率，提升吸附量。

3.4 吸附产物分析

通过Ⅴisual MⅠNTEQ模拟1000mg∕L初始浓度铅离子的水解形态的分布图，见图4。

图4 不同pH下的铅离子形态分布图

对吸附铅的硫酸钙晶须进行XRD图谱分析。见图5，当pH=7时生成了PbSO4，在pH=8时有3PbO·PbSO4·H2O（三盐基硫酸铅）生成。

图5 吸附产物固相XRD图谱

表1 吸附等温方程拟合参数

表2 吸附动力学方程的线性拟合数据

根据结晶理论，硫酸钙晶须是层状结构，Ca2+和SO42-之间由离子键连接，由于其生长方式是以基元台阶形式，其生长位点活性较强，所以SO42-从活性位点释放，与Pb2+在晶须表面结合，以此完成硫酸钙晶须对Pb2+的吸附作用[7]。

3.5 吸附等温方程

用Langmuir、Freundlich两种吸附等温模型研究硫酸钙晶须对Pb2+吸附特性。

由表1可知在温度提高的情况下Langmuir方程的最大吸附量Qm和平衡系数KL不断的提高。

随着温度由25℃上升到45℃的过程中，最大吸附量变大，可能是因为温度上升Pb2+的扩散速率发生变化而导致的。Freundlich方程在不同温度下的1∕n值均小于0.5，说明硫酸钙晶须对铅的吸附性能较好。

3.6 吸附动力学

评价吸附剂在吸附过程中的传质速率，最好的方式就是进行吸附动力学的研究[8]。所以需要通动力学模型对吸附过程中硫酸钙晶须和Pb2+相互作用的吸附动力学规律展开研究。由表2可知，该吸附过程遵循准二级动力学方程，所以说明硫酸钙晶须对Pb2+的吸附受化学吸附主导，化学吸附涉及到吸附剂与吸附质之间的电子共用或电子转移[9]。

4 结论

硫酸钙晶须对铅的去除率高、效果好、反应迅速。通过适当提高吸附环境的pH可以提高其对铅的吸附效果，处理效率高。当处理pH为7，投加量为1g的情况下120分钟铅的去除率即可达到96.9%。通过热力学和动力学模型分析发现其过程最为符合Langmiur方程和准二级动力学方程。

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[9]Studies on the Adsorption Properties of Lead,Cadmium in Three Kinds of Shaanxi Soils

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谭睿祺，男，湖北人，硕士研究生，广东安佳泰环保科技有限公司（广东省危险废弃物示范中心二期），研究方向：固废处置及其资源化。

谭睿祺，李东
广东安佳泰环保科技有限公司

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