靖远凹凸棒粘土对Zn2+吸附研究

王艺洁 杨家萍

兰州交通大学博文学院

靖远凹凸棒粘土对Zn2+吸附研究

王艺洁 杨家萍

兰州交通大学博文学院

通过研究靖远凹凸棒粘土从溶液中吸附金属锌离子的过程，考察了吸附时间、以及温度因素对吸附效果的影响。结果表明，靖远凹凸棒粘土原矿和改性土分别在在吸附时间为60 min，45min时吸附达到平衡。随着温度增加，凹凸棒粘土原矿和改性土吸附Zn2+的吸附量和吸附率都有所上升，但是变化不大.改性凹凸棒粘土在20℃时去除率已经达到98.98%，考虑到经济性可以在室温下进行，靖远凹凸棒粘土对Zn2+有良好的吸附作用。同时等温模型拟合表明两种模型都可以在一定程度上描述凹凸棒粘土对锌离子的吸附，但是在温度较低时Freundlich方程的拟合效果更好。

靖远凹凸棒粘土；吸附；锌离子

1 引言

含锌废水是一种对环境污染十分严重的废水，锌摄入量过多可致中毒。随着人们对环境和健康的日益重视，寻求高效低成本的方法彻底地处理含锌废水，使其达到并低于排放的标准将是今后一段时间的研究重点所在。传统的物理、化学法在含锌废水的处理上应用十分广泛，但仍然存在着诸如处理成本高、二次污染等问题。

在甘肃靖远、临泽等发现的大型凹凸棒粘土矿，经初步普查资源量可达10亿吨以上，资源量丰富。凹凸棒粘土是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐晶体矿物，具有独特的物理化学性质。主要包括吸附性、载体性、催化性、可塑性和流变性等，可以作为处理水污染的吸附剂。本文主要采用甘肃靖远凹凸棒粘土研究其吸附含锌废水，研究结果将为应用甘肃靖远凹凸棒进行水体重金属污染治理提供科学依据。

2 实验部分

2.1 实验材料

凹凸棒原土：实验所用凹凸棒粘土为2016年10月采自甘肃靖远的红色凹凸棒粘土。粉碎，取适量粉末过200目标准筛，编号为S0，置于干燥密闭容器中保存，备用。

锌标准储备液：称取4.3977g固体七水硫酸锌（分析纯）于250mL烧杯中用蒸馏水溶解，移入1000ml容量瓶中稀释至标线，摇匀，此溶液每毫升含100.0μg锌。

2.2 试剂及仪器

试剂：七水硫酸锌（分析纯）；硫酸(化学纯)

仪器：颚式破碎机（浙江上虞银河测试仪器厂）；GJ-1密封式制样粉碎机（浙江上虞市肖金化验设备厂）；JA 1003N型电子天平(上海精密科学仪器有限公司)；HJ-6多头磁力加热搅拌器（金坛市振兴实验器材厂）；恒温鼓风干燥箱（上海琅玕实验设备有限公司）；CP-Optima 2000DV等离子发射光谱仪(美国Perkin-El⁃mer公司)。

2.3 实验方法

2.3.1 凹凸棒粘土改性实验

取适量靖远红色粉末状凹凸棒原矿过200目标准筛，按照10g/1000mL的固液比与2mol/L的硫酸溶液混合，室温下置于HJ-6多头磁力加热搅拌器上搅拌20min，静置18h，过滤，用蒸馏水水洗至pH呈中性，放入恒温鼓风干燥箱内（105℃）烘干，研磨后过200目筛，在360℃马弗炉烧2h，编号为S1，置于干燥密闭容器中保存，备用。

2.3.2 凹凸棒粘土吸附试验

吸附体系由一定浓度的金属溶液中加入定量的凹凸棒粘土，并于固定振荡速率和不同温度下恒温振荡24h。然后用过滤法分离固液相，液相由等离子发射光谱法测量重金属离子浓度。

3 实验结果与讨论

3.1 吸附时间对Zn2+吸附性能的影响

在溶液pH为7.0、温度为25℃、初始Zn2+质量浓度为60mg/L、凹凸棒黏土加入量为100mL Zn2+溶液中加入1g黏土，考察不同吸附时间条件下原矿及改性凹凸棒黏土对Zn2+的吸附性能，结果见图1，图2。在60min前，随着搅拌时间的延长，凹凸棒原矿黏土对Zn2+的吸附率增加，60min后,残余Zn2+含量基本不变，表明吸附时间为60分钟时凹凸棒的吸附已经达到平衡，因此最佳吸附时间为60分钟。改性凹凸棒粘土对Zn2+的脱除效果比凹凸棒原矿粘土好，吸附时间为45分钟，水中残余Zn2+含量最低，继续延长吸附时间水中残余Zn2+含量基本不变达到平衡，吸附时间为45分钟。与原矿相比，改性凹凸棒粘土对Zn2+的去除效果明显提高。

图1 凹凸棒原矿吸附时间对吸附性能的影响

图2 改性凹凸棒粘土吸附时间对吸附性能的影响

3.2 吸附温度对Zn2+吸附性能的影响

在溶液pH为7.0、搅拌时间为50min、初始Zn2+质量浓度为60mg/L、凹凸棒黏土加入量为100mL Zn2+溶液中加入1g黏土，考察吸附温度对吸附性能的影响。结果见图3，图4。凹凸棒原矿黏土对Zn2+的吸附容量和去除率随吸附温度的升高而增加，50℃后二者增加缓慢。这是由于温度太低时，一方面溶液黏度大，分子扩散速率慢，另一方面，黏土对铅离子的吸附可能为化学吸附，温度低时化学吸附较慢，而升高温度，液体扩散和吸附速率加大。改性凹凸棒粘土在20℃时去除率已经达到98.98%，随着温度增加，粘土吸附Zn2+的吸附量和吸附率虽然都有所上升，但是变化不大，可见温度对改性凹凸棒石粘土吸附Zn2+的影响不大，考虑到经济性可以在室温下进行。

图3 凹凸棒原矿温度对吸附性能的影响

图4 改性凹凸棒粘土温度对吸附性能的影响

3.3 等温吸附模型拟合

吸附等温过程用Freundlich和Langmuir模型拟合，其函数关系如下：

Freundlich方程

式中kf——吸附系数；

1/n——经验常数；

Ce——平衡质量浓度，mg/L；

qe——平衡吸附量，mg/g。

Langmuir方程

式中Ce——平衡质量浓度，mg/L；

qe——平衡吸附量，mg/g；

qm——单位表面达到饱和吸附时的最大吸附量，mg/g；

b——表征吸附表面强度的常数，L/mg。

3.3.1 凹凸棒原土吸附重金属离子Zn2+的等温吸附模型拟合

表1 锌离子在凹凸棒原矿上吸附的等温线常数和可决系数

表2 锌离子在改性凹凸棒原矿上吸附的等温线常数和可决系数

Freundlich等温方程拟合曲线中得到的相关系数R2都较好，随温度的降低拟合效果变好，相关系数最高可达0.98以上，而吸附系数和经验常数都随温度的降低而减小。Langmuir等温方程拟合曲线中得到的相关系数R2同样是随温度的降低拟合效果变好，其相关系数R2都在0.91以上。饱和吸附量qm随温度的升高而增大，表面吸附强度系数随温度的升高而降低。对比上述两种方程拟合结果，两种模型都可以在一定程度上描述凹凸棒原土对锌离子的吸附，但是在温度较低时Freundlich方程的拟合效果更好。

3.3.2 凹凸棒改性土吸附重金属离子Zn2+的等温吸附模型拟合

Langmuir等温方程拟合曲线中得到的相关系数较Freun⁃dlich等温拟合差，但其相关系数R2也都在0.9以上。饱和吸附量qm和表面吸附强度系数随温度的升高而增大。对比上述两种方程拟合结果，两种模型都能在一定程度上描述凹凸棒改性土对锌离子的吸附，两种模型线性拟合回归方程的相关系数几乎都在0.9以上。但比较两者的相关系数可知，Freundlich方程的拟合结果更好。

4 结论

（1）在相同温度下，比较靖远凹凸棒原矿和改性土对同浓度Zn2+的去除率和去除量可以看出，改性凹凸棒粘土对Zn2+的吸附比原矿有更好的效果。

（2）靖远凹凸棒原矿和改性土对Zn2+的吸附率随着吸附时间增加而增加。靖远凹凸棒原矿和改性土的吸附性能随着温度的升高有所增强，但不是特别明显。提高温度使达到最大吸附率的时间缩短。

（3）采用Freundlich和Langmuir方程对靖远凹凸棒原矿和改性土的吸附等温线进行拟合，发现两种吸附模型都可以描述靖远凹凸棒原矿和改性土对Zn2+的吸附。通过比较相关系数，Freundlich方程的拟合结果更好。

[1]蔡鲁晟,陈文婷,黄琳.含锌废水处理研究进展[J].化工时刊,2006,20(3):68～75.

[2]夏君,瞿建国,马锦民,等.含锌废水的微生物处理技术[J].化工环保,2005,25(3):191～194.

[3]申华,杨卫东,石中亮.凹凸棒石吸附剂处理含镍(Ⅱ)废水的研究.辽宁化工,2005，34(5):187～189.

[4]陈天虎.凹凸棒石粘土吸附废水中污染物机理探讨[J].高校地质学报,2000,6(2):265～270.

[5]陈天虎.改性凹凸棒石粘土吸附对比实验研究[J].非金属矿,2005,(5):11～12.

[6]唐源清.凹凸棒石粘土矿研究现状综述[J].甘肃冶金,2004,26(2):83～90.

[7]周济元,崔炳芳.国外凹凸棒石粘土的若干情况[J].资源调查与环境,2004,25(4):248～25.

[8]任珺,刘丽莉,陶玲,付朝文.甘肃地区凹凸棒石的矿物组成分析.硅酸盐通报,2013,32(11):2362～2365.

[9]郑茂松,王爱勤,詹庚申.凹凸棒石黏土应用研究.化学工业出版社,2007,34～52.

[10]Chen Hao,Wang Aiqin.(2009).Adsorption characteristics of Cu(Ⅱ)from aqueous solution onto poly(acrylamide)-attapulgite composite.Journal of Hazardous Materials,165:223-231.

[11]Chen,C.L.,Wang,X.K.(2006).Adsorption of Ni(Ⅱ)from aqueous solution using oxidized multiwall carbon nanotubes.Indus⁃trial and Engineering Chemistry Research,45:9144-9149.

王艺洁（1986-），女，汉族，甘肃兰州人，讲师，工学硕士，单位：兰州交通大学博文学院，研究方向：污水及废弃物处理，循环经济和可持续发展

杨家萍（1987-），女，汉族，甘肃景泰人，讲师，工学硕士，单位：兰州交通大学博文学院，研究方向：水污染控制

兰州交通大学博文学院校级课题：甘肃靖远凹凸棒粘土环保吸附材料的制备及性能研究，项目编号：2016BWJX004