Keggin离子改性凹凸棒土对重金属的吸附研究

谢伟芳，阮小燕，程 婷

（1江苏城市职业学院 江苏 南京 210017）

（2南京信息工程大学 江苏 南京 210044）

1 引言

铅是可在人体和动物组织中积蓄的有毒金属。主要来源于各种油漆、涂料、蓄电池、冶炼、五金、机械、电南丹矿区污染严重镀、化妆品、染发剂、釉彩碗碟、餐具、燃煤、膨化食品、自来水管等。铅对水生生物的安全浓度为0.16mg/L，用含铅0.1～4.4mg/L的水灌溉水稻和小麦时，作物中铅含量明显增加。

随着工业排污量的急剧增加，大量重金属污染物排向环境，使得水体和土壤中重金属浓度严重超标。因此，近年来重金属污染物的去除成为研究热点[1-4]。铅污染是重金属污染中毒性较大的一种。铅作为原料常用于农药、蓄电池、电镀、颜料、橡胶、燃料等制造业。铅及其化合物主要通过呼吸道与消化道侵入人体，对人体健康产生极其不利的影响。由于铅及其化合物对环境和人体造成严重危害，因此被列为“中国环境优先污染物黑名单”之一。粉煤灰是燃煤电厂排放的固体废弃物，来源广泛，价格低廉，具有较大的比表面积和固体吸附性能[5，6]。近年来，利用凹凸棒与作为吸附剂去除水中重金属离子的研究备受关注。以前的研究结果表明凹凸棒土及其合成材料对水中重金属离子具有较好的去除能力[7-10]。

本文利用Keggin离子改性的凹凸棒土（以下简称改性土）为基本吸附材料处理重金属，在得到良好吸附效果的同时为重金属的吸附研究提供参考。

2 实验材料与方法

2.1 材料与仪器

本次试验所用的凹凸棒土取自江苏盱眙。

试剂：硝酸铅（优级纯）；氢氧化钠；六水-三氯化铝；硝酸；盐酸；均为分析纯。实验中所用仪器设备及型号见表1。

表1 实验中所用仪器设备及型号

2.2 Keggin离子制备

配制0.2mol/L的AlCl3溶液和0.5mol/L的NaOH溶液，将一定量的溶液置烧杯中，在60℃恒温水浴中加热搅拌；按OH-/A13+=2.4(mol比)的量比，将NaOH溶液缓慢滴入AlCl3溶液中；滴完后将溶液移入磨口锥形瓶中，继续搅拌加热2h后停止搅拌，用胶塞封住瓶口，然后在60℃下静置48小时,得无色透Keggin离子溶液。

2.3 改性凹凸棒土的的制备

将上述离子溶液，离心取上清液，以100ml加2g凹凸棒土的量加入磨口锥形瓶中，60℃下搅拌两小时后，静置48小时，得改性土。

2.4 分析方法与相关计算公式：

重金属去除率计算公式为：η=(C0-Ce)／C0×100%

式中，C0为金属离子初始浓度，mg/L；Ce为金属离子吸附平衡浓度，mg/L；

V为溶液体积，mL；m为吸附剂用量，g。

3 实验结果与讨论

3.1 改性凹凸棒土投加量的影响

改性凹凸棒土的投加量分别：0.125、0.25、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、6.5 g/L，Pb2+ 初始浓度为200 mg /L，初始PH为7，反应时间为1.5h。

改性凹凸棒土投加量对Pb2+的去除率的影响见图1。

图1 改性凹凸棒土投加量对Pb2+去除率的影响

由图1可知，当改性土投加量为0.50～2.50g/L时，Pb2+去除率随着改性土投加量的增大而上升，由0.50g/L时的14%增加到2.50g/L时的98%，此时反应趋于平衡；而改性土投加量继续增加到6.50g/L时，Pb2+去除率变化不大。

3.2 不同初始PH的影响

为观察不同PH对改性土吸附性能的影响并确定吸附最佳pH，调节吸附体系的初始pH分别为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，重金属Pb2+溶液的初始浓度为200mg/L，吸附剂投加量为2.00g/L，反应时间为1.5h。初始pH对改性凹凸棒土吸附水中Pb2+去除效果影响见图2。

图2 不同初始PH对Pb2+去除率的影响

由图2可以看出，当初始pH为3～6时，随着初始pH的升高，改性凹凸棒土对Pb2+的去除率不断提高，Pb2+去除率由初始pH为2时的1%提高到pH为6时的99%；然而，当pH为7时，Pb2+去除率提高不大；当PH为7～11时，Pb2+去除率均接近100%，即pH在此范围对改性凹凸棒土吸附效果的影响不大。

pH不仅影响到吸附剂的表面电荷，还会影响吸附剂和金属离子的存在状态，从而影响它们之间的相互作用。推测：低pH的条件下，由于溶液中H+浓度较大，占据了吸附剂的位置，与Pb2+形成了竞争吸附，造成改性凹凸棒土对Pb2+的去除效果较差；而随着pH的逐渐升高，离子交换作用增强，Pb2+离子逐步取代改性凹凸棒土表面的H+离子，Pb2+去除率逐渐增大；当pH过高时，水溶液中氢氧根离子增多，与Pb2+发生沉淀作用，去除率较高。

3.3 改性凹凸棒土和凹凸棒原土对Pb2+的吸附效果的影响

试验选取25℃，考察改性凹凸棒土和凹凸棒原土对Pb2+吸附效果。其中Pb2+初始浓度为200mg/L，吸附剂用量为2.00g/L，体系pH为7，反应时间为0～12h。

图3 不同反应时间改性凹凸棒土和凹凸棒原土对Pb2+的吸附

由图3可知，随着反应时间的增加反应，改性凹凸棒土和凹凸棒原土对Pb2+的吸附的去除效果显著增加，总体上说改性土吸附效果明显强于原土。

3.4 不同改性凹凸棒土投加量对Cd2+和Pb2+竞争吸附的研究

试验选取50、100、150mg/L 3个混合重金属离子初始浓度，研究不同浓度条件下合成沸石对Cd2+和Pb2+两种重金属离子的竞争吸附。不同初始浓度时改性凹凸棒土对Cd2+和Pb2+竞争吸附的影响如图1至图3所示，其中吸附体系反应温度为25℃，体系初始pH7，振荡时间为1.5h，吸附剂投加量分别为 0.5、1、2、5、8、12、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80 和 90mg/L。

图4 初始浓度为50mg/L时,不同吸附剂投加量对Cd2+和Pb2+吸附量的变化

图5 初始浓度为100mg/L时,不同吸附剂投加量对Cd2+和Pb2+吸附量的变化

图6 初始浓度为150mg/L时,不同吸附剂投加量对Cd2+和Pb2+吸附量的变化

从图4至图6的试验结果明显看出，两种重金属离子的竞争吸附顺序以及吸附量的大小与混合重金属离子的初始浓度无关。改性凹凸棒土对Cd2+和Pb2+吸附量顺序为Cd2+＞Pb2+。当混合重金属离子初始浓度为50mg/L时，凹凸棒土对Cd2+的去除率达到67.33%～83.13%，而同等条件下的Pb2+去除率则为59.64～62.97%（图4），可见在混合重金属溶液中凹凸棒土对Cd2+的吸附相对强于Pb2+，而且从图4中发现：当凹凸棒土投加量小时，Cd2+和Pb2+的去除率差距较小，随着吸附剂投加量的增加，两则吸附能力的差距越来越明显。

当混合重金属离子初始浓度为100mg/L时，凹凸棒土对Cd2+的去除率达到53.41%～80.94%，而同等条件下的Pb2+去除率则为44.54～60.58%（图5），研究发现当重金属溶液含量增加一倍，凹凸棒土对重金属的吸附率虽然有所减弱，但是并没有呈现减半效应。此外表现同样的吸附规律：在混合重金属溶液中凹凸棒土对Cd2+的吸附相对强于Pb2+，而且从图5中发现：当凹凸棒土投加量小时，Cd2+和Pb2+去除率差距较小，随着吸附剂投加量的增加，两则吸附能力的差距越来越明显。

当混合重金属离子初始浓度为150mg/L时，凹凸棒土对Cd2+的去除率达到47.16%～86.35%，而同等条件下的Pb2+去除率则为48.72～63.31%（图6），此外表现同样的吸附规律：在混合重金属溶液中凹凸棒土对Cd2+的吸附相对强于Pb2+，而且从图6中发现：当凹凸棒土投加量小时，Cd2+和Pb2+的去除率差距较小，随着吸附剂投加量的增加，两则吸附能力的差距越来越明显。

4 结语

（1）改性凹凸棒土投加量对Pb2+的吸附性能影响显著，当投加量达到2.5mg/L时，Pb2+的吸附量达到饱和。

（2）不同的pH值对Pb2+的吸附性能影响显著，当pH达到6～8时，Pb2+的吸附效果最佳，一般pH取7。

（3）对改性凹凸棒土和凹凸棒原土对Pb2+的吸附效果研究发现：改性土吸附效果明显强于原土。

（4）不同改性凹凸棒土投加量对Cd2+和Pb2+竞争吸附的研究发现：在混合重金属溶液中凹凸棒土对Cd2+的吸附相对强于Pb2+；当凹凸棒土投加量小时，Cd2+和Pb2+的去除率差距较小，随着吸附剂投加量的增加，两者去除率的差距越来越明显。

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