钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂对水中Pb2+的去除研究

任德毅，田犀卓，贺凤伟，闫玉蕾 (辽宁科技学院 生物医药与化学工程学院，辽宁 本溪117004)

钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂对水中Pb2+的去除研究

任德毅，田犀卓，贺凤伟，闫玉蕾
(辽宁科技学院 生物医药与化学工程学院，辽宁 本溪117004)

以钢渣及蒙脱石为原料，工业淀粉为添加剂，制备钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂并将其做为实验材料，研究了其对水中Pb2+的吸附性能，探讨了影响吸附的因素。研究结果表明：钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂在溶液pH为7和吸附反应时间120min的条件下吸附效果最佳。在此环境条件下，吸附剂用量为9.0g/L、对初始浓度为100mg/L的 Pb2+溶液的去除率可达到93%，钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂在以上条件下对Pb2+的吸附量为10.3mg/g；钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂吸附重金属离子时可用二级动力学方程进行拟合，对Pb2+的相关系数为0.9993；且符合Langmuir方程，其相关系数为0.9929；对Pb2+的理论饱和吸附量为12.61mg/g。

钢渣；蒙脱石；吸附

水是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线〔1〕，而近年来重金属废水却逐渐破坏水体环境。吸附法是重金属废水处理的首选方法〔2〕，而采用高性能新型吸附剂是提高水处理效果的重中之重〔3〕。本文利用钢渣及蒙脱石为主要原料制备的颗粒吸附剂对水中Pb2+进行吸附，考查钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂的吸附性能，从而为新型吸附剂的研究及重金属废水治理工作提供新思路。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

JP303极谱分析仪，PHS-3D型酸度计，马弗炉FA1604天平秤。

Pb(NO3)2、HCl、NaOH、均为分析纯，自制钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂。

1.2 实验方法

在室温条件下，选择不同初始浓度(50～300 mg /L)、不同pH(1～9)、不同吸附剂用量(1～16g/L)和不同接触时间(10～150min)对100mLPb2+溶液进行吸附后过滤，将滤液用极谱分析仪测定Pb2+浓度，并计算溶液中Pb2+去除率，公式为：

η=(C0-Ce)/C0×100%

(1)

式中η为Pb2+的去除率，%；C0为吸附前Pb2+浓度，mg/L;Ce为吸附后Pb2+浓度，mg / L.

2 实验结果

2.1 溶液初始浓度选择

在室温(25℃)条件下将1g钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂(钢渣与蒙脱石质量比为2:3)投入100mL浓度为50～300mg/L的Pb2+溶液中接触60min，实验结果见图1。

图1 溶液初始浓度对去除效果的影响

由图1可知，当溶液初始浓度为50～100mg/L时，钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂对Pb2+去除率较高，可达88%左右；当初始浓度继续增加，Pb2+去除率开始逐渐下降。因此选取Pb2+最佳初始浓度为100mg/L。此时颗粒吸附剂对Pb2+去除率为87.88%，吸附量为8.79mg/g。

2.2 溶液初始pH选择

在室温(25℃)条件下将1g钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂投入100mL浓度为100mg/L的Pb2+溶液中，调节不同pH(1～9)接触60min，实验结果见图2。

图2 溶液初始pH对去除效果的影响

由图2可知，当溶液初始pH较低时，颗粒吸附剂对Pb2+去除率较低，这是因为溶液中H+的竞争吸附作用导致；当溶液初始pH逐渐上升，H+浓度降低，竞争吸附作用减小，Pb2+去除率逐渐上升。当溶液初始pH为7时，Pb2+去除率达到最高值82.8%，因此选取初始pH为7。此时颗粒吸附剂对Pb2+吸附量为8.3 mg/g。

2.3 吸附剂用量选择

在室温(25℃)、pH为7条件下，将1～16g/L颗粒吸附剂投入100ml浓度为100mg/L的Pb2+溶液中接触60min，实验结果见图3。

图3 吸附剂用量对去除效果的影响

由图3可知，当吸附剂用量为1～9g/L时，颗粒吸附剂对Pb2+去除率逐渐上升，在9g/L时达到最高值80.33%，此时吸附量为8.92 mg/g；当吸附剂用量继续增加时，去除率及吸附量不再增加，考虑吸附剂成本及吸附效果，将吸附剂用量确定为9g/L。

2.4 接触时间选择

在pH为7的室温(25℃)条件下将0.9g颗粒吸附剂投入100mL浓度为100mg/L的Pb2+溶液中，在不同接触时间(10～150min)后测定Pb2+去除率，实验结果见图4。

图4 接触时间对去除效果的影响

由图4可知，Pb2+去除率在15min内迅速上升至65.3%；而在15～60min上升速率减缓，由65.3%上升至78.6%。此时颗粒吸附剂表面已逐渐被Pb2+占据；60～120min时，去除率上升进一步减缓，在接触时间为120min，去除率达到85.3%(吸附量约为9.48 mg/g)后便几乎不变，逐渐达到吸附平衡。因此将接触时间定为120min。

2.5 吸附动力学

在室温(25℃)条件下，调节pH为7，将0.9g颗粒吸附剂投入100mL浓度为100mg/L的Pb2+溶液中吸附1～120min，测定实验结果并用二级动力学方程t/Qt= t/Qe+ 1/k2Qe2(2)拟合。式中，Qt为吸附过程中t时间的吸附量(mg/g)；Qe为吸附平衡时的吸附量(mg/g)；k2，吸附速率常数(mg/g/min)；t为时间(min)。颗粒吸附剂对Pb2+的二级动力学方程和吸附速率曲线见图5。

图5 颗粒吸附剂的吸附速率曲线

由图5可看出，在1～15min内，颗粒吸附剂对Pb2+吸附量迅速上升，由1.24 mg/g上升至6.35 mg/g；而在15min后上升逐渐减缓，在120min时基本达到吸附平衡。由二级动力学方程t/Qt=0.0994t+0.8569可看出，在120min内，颗粒吸附剂对Pb2+吸附量随时间增加呈良好线性关系，可决系数为0.9993。在120min时Pb2+吸附量为9.48mg/g，而与平衡吸附量10.06mg/g仅偏差5%，因此选择120min基本可达到吸附平衡。

2.6 等温吸附

在室温(25℃)条件下，调节pH为7，将0.9g吸附剂投入100mL浓度10～500mg/L的Pb2+溶液中吸附120min后测定实验结果，绘制等温吸附曲线并用Langmuir等温式(Ce/Qe=KL/Qmax+ Ce/Qmax)(3)对其进行拟合，结果见图6。

图6 颗粒吸附剂的等温吸附曲线

如图6所示，当平衡浓度较低时，颗粒吸附剂对Pb2+吸附量随着平衡浓度增加而增大。随着平衡浓度继续增加，吸附剂表面逐渐被Pb2+占据，吸附量上升减缓直至达到饱和，饱和吸附量为12.61 mg/g；用Langmuir等温式对其进行拟合，相关系数为0.9929，效果较好。

3 结论

1)钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂在室温(25℃)条件下，Pb2+初始浓度100mg/L，调节pH为7，吸附剂用量9g/L，接触时间为120min时去除Pb2+效果最佳，去除率为93%，此时Pb2+吸附量为10.3mg/g。

2)钢渣-蒙脱石颗粒吸附剂对Pb2+吸附符合二级动力学方程，可决系数为0.9993；符合Langmuir等温式方程，相关系数为0.9929，饱和吸附量为12.61mg/g。

〔1〕赵海江.废水的吸附处理技术〔J〕.广东化工，2016,43(16):128-129.

〔2〕税永红，等．吸附法处理重金属废水的研究现状与进展〔J〕.成都纺织高等专科学校学报，2016, 33(2): 207-213.

〔3〕陈佑宁，赵维，曹蕾．新型吸附剂处理水体中重金属离子的研究进展〔J〕.化学工程师，2016,254(11):44-48.

Research into Adsorption of Pb2+from Aqueous solution by Steel Slag -Montonrillonite grain Absorbent

REN De-yi; TIAN Xi-zhuo; HE Feng-wei; YAN Yu-lei

(SchoolofBiologicalMedicineandChemicalEngineering,LiaoningInstituteofScienceandTechnology,Benxi,Liaoning, 117004,China)

Taking steel slag and montmonillonite as raw material, and industrial starch as additive, we prepare the absorbent, and observe its adsorption performance of Pb2+ from aqueous solution. The results show that, the best condition is that the PH value with 7,absorbent dosage with 9.0g/L, after 120 min., the removal of Pb2+(100mg/L) reaches 93%. The adsorptive capacity of Pb2+ is 10.3 mg/g. The adsorption of heavy metal ions by the grain absorbent is available fitting with secondary dynamic equation, the correlation coefficient is 0.9993 for Pb2+. And it is in line with the Langmuir equation with correlation coefficient as 0.9929. The theoretical value of saturated adsorption for Pb2+ is 12.61ng/g.

Steel slag; Montmorillonite; Absorption

2017-01-05

课题项目：辽宁科技学院大学生创新创业训练计划项目(201611430054)，辽宁省大学生创新创业训练计划项目(201611430006)，

任德毅(1995-)，男，辽宁本溪人，辽宁科技学院生物医药与化学工程学院.

1008-3723(2017)02-009-03

10.3969/j.issn.1008-3723.2017.02.009

X703

A