硅胶吸附剂对废水中Pb2+、Cd2+的吸附性能试验研究

向求来，李 郁，刘 硕

（湖南有色金属研究院有限责任公司，湖南 长沙 410100）

环境中的重金属污染会直接危害人体健康，并导致环境质量恶化，已经引起世界各国的高度重视。近年来，研究人员研究了各种吸附剂对废水中重金属离子的吸附分离，因此吸附分离技术有了很大的发展，并且在处理重金属废水中得到了广泛的实践应用。吸附原理为利用多孔性固体吸附剂与吸附质直接发生吸附作用力，从而实现吸附、分离重金属离子的目的。根据吸附作用力性质的不同，可将吸附分为三类：物理吸附，由分子间作用力而产生吸附分离；化学吸附，由化学键力引起吸附分离；交换吸附，溶质的离子由于静电引力而汇聚在吸附剂表面的带电点上并置换出原来固定在这些带电点上的其他离子[1]。常用的吸附剂有腐植酸类吸附剂、碳类吸附剂、矿物吸附剂、高分子吸附剂、生物材料吸附剂等[2]。

矿物吸附法作为含重金属的废水处理技术，具有材料来源广、操作简单、去除效率高而被广泛应用。Leppert研究证实斜发沸石对Pb2+有很强的亲和力，吸附能力为55.4 mg/g[3]；陈锡珉等[4]应用改良斜发沸石去除镀锌钝化废水效果很好；邵红等[5]以钠基膨润土为原料制备铁硅交联膨润土，对模拟废水中的Cr6+去除率达87.55%。硅胶属于矿物吸附剂，本试验探索利用硅胶吸附剂吸附废水中的Pb2+、Cd2+，通过试验对不同型号的硅胶吸附剂进行筛选，并进一步试验得到硅胶吸附剂对Pb2+、Cd2+的最佳吸附条件及饱和吸附量，也为含重金属废水的处理提供了参考。

1 试验部分

1.1 试验原料、试剂、设备及吸附剂材料

试验废水：A为含重金属废水，Pb2+浓度为10.4 mg/L、Cd2+浓度为3.1 mg/L，pH值为6～7；B为冶炼厂废水，Pb2+浓度为10.4 mg/ L、Cd2+浓度为121 mg/L，pH值为2；C为含重金属废水，Pb2+浓度为0.6 mg/L、Cd2+浓度为2.86 mg/L，pH值为6.7。

试剂：盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH），均为分析纯；去离子水。

设备：HM202电子分析天平、ZR4-6混凝试验搅拌机、pH211A型精密酸度计、pH S-3C型pH计、Varian715-ES电感耦合等离子体光谱发生仪等。

吸附剂材料：PQ-R型硅胶、PQ-P型硅胶、PQ-D型硅胶，比表面积依次为：PQ-R型硅胶＜PQ-P型硅胶＜PQ-D型硅胶。

1.2 实验方法

每个试验对象取500 mL废水，称取一定量的硅胶吸附剂，加入到试验对象废水中，置于混凝试验搅拌机上搅拌60 min，反应结束后静置20 min，采用中速定量分析过滤纸过滤，取滤液的上清液测定其中Pb2+、Cd2+浓度。去除率计算公式如下：

式中：η为吸附去除率，%；C0和C分别为吸附前后溶液中Pb2+、Cd2+浓度，mg/L。

平衡吸附量计算公式如下：

式中：qe为平衡吸附量，mg/g；Co和Ce分别为吸附前后溶液中Pb2+、Cd2+的浓度，mg/L；W为吸附剂量，g。

试验组合：①分别取三种吸附剂各25 g，分别对三个500 mL的A含重金属废水进行吸附，考察吸附效果；②取非过量的效果最好的吸附剂对调整成不同pH值的B冶炼厂废水进行吸附，考察最佳pH值条件；③取效果最好的吸附剂，依次取用量为0.02 g/ L、0.05 g/L、0.2 g/L、1 g/L、5 g/L、15 g/L、25 g/L，试验考察饱和吸附量。

2 硅胶吸附剂对Pb2+、Cd2+的吸附过程

2.1 吸附剂的选择

在试验组合①的条件下，PQ-R型、PQ-P型、PQ-D型吸附剂分别对A含重金属废水的吸附效果详见表1。

表1 三种吸附剂分别对A含重金属废水的吸附效果

由表1可知，PQ-R型硅胶对废水中Pb2+、Cd2+吸附效果最差，几乎无吸附效果；PQ-P型硅胶对废水中Pb2+吸附效果较好，但对Cd2+几乎无吸附效果；PQ-D型硅胶对废水中Pb2+、Cd2+吸附效果最好，吸附去除率达到99.7%以上，吸附处理后的废水中Pb2+、Cd2+均达到《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级排放标准。

三种吸附材料中，PQ-D型比表面积最大，PQ-P型次之，PQ-R型最小，故比表面积越大的硅胶吸附剂对Pb2+、Cd2+的吸附性能越好。

接下来的试验采用PQ-D型硅胶吸附剂，考察pH值最佳吸附条件及饱和吸附量。

2.2 溶液pH值对吸附效果的影响

在室温25℃、试验组合②的条件下，考察溶液pH值对吸附废水中Pb2+、Cd2+的影响。试验结果见图1。

图1 pH值对硅胶吸附Pb2+、Cd2+的影响

溶液的pH值是影响吸附效果的重要因素，在pH值＜6的条件下Pb2+、Cd2+的去除率较小；当pH值大于7时，吸附率又降低；当pH值为6～7时，硅胶吸附剂对Pb2+、Cd2+的去除率最大，吸附效果最好。

2.3 饱和吸附量

在试验组合③的条件下，调整C废水的pH值为6.5，考察PQ-D型硅胶对废水中Pb2+、Cd2+的饱和吸附量。吸附剂的不同用量对C废水中重金属Pb2+、Cd2+的吸附效果详见表2。

表2 吸附剂的不同用量对C废水中重金属Pb2+、Cd2+的吸附效果

PQ-D型硅胶对废水中Pb2+、Cd2+的最大吸附限值浓度分别为0.02 mg/L、0.007 mg/L，可达到《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级排放标准。在pH值为6.5的最佳吸附条件下，PQ-D型硅胶对废水中Pb2+、Cd2+的饱和吸附量分别约为10.5 mg/g、16.5 mg/g。

3 结论

通过实验研究了硅胶吸附剂对废水中Pb2+、Cd2+的吸附性能，探讨了硅胶材料的比表面积、pH值、吸附剂用量等对吸附效果的影响，得出以下结论：

（1）影响吸附效果的因素有吸附材料的比表面积、溶液初始pH值、吸附剂用量等。比表面积越大的硅胶吸附剂对Pb2+、Cd2+的吸附效果越好。PQ D型硅胶吸附性能明显优于PQ R型和PQ P型。

（2）pH值是影响吸附的重要因素，在pH＜6的条件下，Pb2+、Cd2+的去除率较小；pH值＞7时，吸附率降低；当pH值为6～7时，硅胶吸附剂对Pb2+、Cd2+的去除效果最好。

（3）当pH值为6.5、吸附时间60 min、静止时间20 min、吸附剂用量足够时，PQ-D型硅胶对Pb2+、Cd2+的吸附去除率达到99.7%以上，吸附处理后的废水中Pb2+、Cd2+均达到《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级排放标准。PQ D型吸附剂对废水中Pb2+、Cd2+的最大吸附限值浓度分别为 0.02 mg/L、0.007 mg/ L，对Pb2+、Cd2+的饱和吸附量分别约为10.5 mg/g、16.5 mg/g。