西寧盆地坡縷石粘土對Cd2+吸附性能研究

張興儒，郭會賓，崔明鑫,王曉寧

（青海大學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810016）

西寧盆地坡縷石粘土對Cd2+吸附性能研究

張興儒，郭會賓，崔明鑫,王曉寧

（青海大學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810016）

試驗研究了西寧盆地坡縷石粘土對Cd2+的吸附性能，考察了改性方法、攪拌時間、粘土投加量、吸附溫度、溶液初始濃度等因素對吸附效果的影響。結(jié)果表明，采用Na2CO3改性時，Na2CO3與粘土最佳配比為3∶100；吸附的適宜條件為：攪拌時間50min、粘土投加量1.5g/100mL Cd2+溶液、吸附溫度20℃；在試驗的濃度范圍內(nèi)，Cd2+在粘土上的吸附規(guī)律符合Langmuir等溫模型。西寧盆地坡縷石粘土對Cd2+具有較好的吸附性能，粘土投加量為每100mL Cd2+溶液2.5g時，處理后溶液中Cd2+含量下降到0.1mg/L以下，符合GB8796-1996第一類污染物最高排放標準。

坡縷石粘土；Cd2+；吸附性能；西寧盆地

1 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，大量廢水的排放使土壤和水源中重金屬積累加劇，重金屬對環(huán)境污染日益嚴重。重金屬易通過食物鏈而生物富集，構(gòu)成對生物和人體健康的嚴重威脅，如何有效地減少重金屬污染已成為研究的熱點問題[1]。

吸附技術(shù)處理廢污水是目前環(huán)境污染治理的常用技術(shù)之一，其應(yīng)用受到吸附劑成本的制約。長期以來，活性炭一直是最常規(guī)的吸附材料，但由于成本較高使其應(yīng)用受到限制[2-3]。世界各國均致力于尋求低成本的吸附材料，利用農(nóng)業(yè)廢棄物、工業(yè)廢料和礦物質(zhì)對重金屬的吸附研究，取得了較好的效果。粘土礦物儲量大、價格低，且獨特的層狀結(jié)構(gòu)、大比表面積、高孔隙率和強極性特性，使其具有良好的吸附和離子交換性，是去除廢水中重金屬元素較為理想的低成本吸附劑，在水污染治理和土壤修復(fù)中有很好的應(yīng)用前景[4-5]。

本文以西寧盆地坡縷石粘土為原料進行了對Cd2+的吸附性能研究，探討其在含重金屬離子廢水處理和Cd2+污染土壤的修復(fù)方面的應(yīng)用前景。

2 試驗

2.1 試驗材料

試驗所用粘土取自西寧盆地湟中縣升平一帶，經(jīng)國土資源部西寧礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心測定，其化學(xué)組成(%)為：CaO 20.28，MgO 13.00，SiO225.64，F(xiàn)e2O33.21，Al2O36.93，Cd 0.000 1。

2.2 試劑及儀器

試劑：硝酸鎘(分析純)，無水碳酸鈉(分析純)，硫酸(化學(xué)純)。

儀器：華普達SHA-BA型水浴恒溫振蕩器(常州市華普達教學(xué)儀器有限公司)、PAS-990型原子吸收分光光度計(北京普析通用)、JA1003N型電子天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司)、DGG-9053AD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信實驗儀器有限公司)、PH-3C精密PH計(上海精密科學(xué)儀器有限公司)。

2.3 試驗方法

2.3.1 粘土預(yù)處理

把粘土研磨成粉末過2mm篩，取10g加入到盛有200mL自來水的燒杯中，攪拌40min左右，充分混勻后，棄去少許沉淀，然后對懸浮液進行真空抽濾，得到的濾餅在鼓風(fēng)干燥箱中烘干待用。濕選過程收率約為70%。

2.3.2 改性方法

分別稱取10g已濕選的粘土，加入一定量的改性劑于500mL燒杯中，再加入200mL蒸餾水，在室溫下水浴恒溫振蕩器中振蕩2h。然后靜置，抽濾，烘干待用。2.3.3 吸附Cd2+方法

配制一定濃度的Cd2+溶液，調(diào)pH值=7.0左右，將一定量改性后的粘土加入到100mL一定濃度的Cd2+溶液中，在一定轉(zhuǎn)速下攪拌一定時間后靜置，過濾，用原子吸收分光光度計測定Cd2+含量，計算Cd2+去除率和吸附容量。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 攪拌時間對Cd2+吸附性能的影響

在pH值=7.0左右、吸附溫度20℃、粘土加入量1.0g/100mLCd2+溶液、溶液Cd2+含量65.65mg/L條件下，改變攪拌時間，考察未改性粘土對Cd2+的吸附性能，試驗結(jié)果見圖1、圖2。

由圖1、圖2可見，隨著攪拌時間的增大，未改性粘土對Cd2+的吸附容量和去除率逐漸增加，攪拌時間50min后，增加幅度趨于平緩，考慮到經(jīng)濟合理性，選擇50min為適宜的攪拌時間。

3.2 改性劑對粘土吸附Cd2+性能影響

表1為分別用硫酸和碳酸鈉改性的粘土，在吸附溫度17.5℃、pH值=7.0、攪拌時間50min、恒溫水浴搖床振蕩轉(zhuǎn)速150r/min、改性粘土用量1.0g/100mL Cd2+溶液的條件下，吸附Cd2＋離子的試驗結(jié)果。由表1可見，坡縷石粘土對Cd2+吸附效果為：堿改性大于酸改性，酸改性大于未改性。

表1 硫酸和純堿改性粘土吸附試驗結(jié)果

為了確定碳酸鈉的加入量，在Cd2+濃度為27.85 mg/L、吸附溫度17.5℃、pH值=7.0、攪拌時間50min、恒溫水浴振蕩轉(zhuǎn)速150r/min、改性粘土用量1g/100mLCd2+溶液的條件下，考察了每10g粘土加入碳酸鈉用量對改性后粘土吸附性能的影響，試驗結(jié)果見圖3。由圖3可見，粘土對Cd2+的吸附容量隨碳酸鈉加入量的增加而增加，每10g粘土碳酸鈉加入量在0.1～0.3g范圍內(nèi)，粘土對Cd2+吸附容量隨碳酸鈉量增加而增加的較明顯，超過0.3g以后吸附容量增加趨勢平緩。因此，粘土改性時，適宜的碳酸鈉用量為：0.3g/10g粘土。

3.3 吸附溫度對粘土吸附Cd2+性能影響

在Cd2+濃度為65.65mg/L、pH值為7.0、攪拌時間50min、改性過的粘土投加量1.5g/100mL Cd2+溶液、恒溫水浴振蕩轉(zhuǎn)速150r/min條件下，考察吸附溫度對粘土吸附Cd2+性能的影響，結(jié)果見圖4、圖5。

由圖4、圖5可見，隨著吸附溫度的增加，粘土對Cd2+的吸附容量和去除率呈先增加后減小的趨勢。這可能是粘土吸附Cd2+是化學(xué)吸附和物理吸附共同作用的結(jié)果。低溫時，溶液中離子遷移速度慢，吸附速率小，隨著溫度的升高，溶液粘度減小，離子遷移速率增加，且化學(xué)吸附速率增大，從而使吸附容量增大。隨著溫度繼續(xù)增加，物理吸附量減少。化學(xué)吸附為一放熱反應(yīng)，吸附平衡常數(shù)隨溫度升高而降低，溫度對平衡的影響超過對化學(xué)吸附速率的影響，使得吸附容量和Cd2+去除率減小。適宜的吸附溫度為30℃，但考慮到操作方便，吸附溫度確定為20℃。

3.4 粘土投加量對吸附性能的影響

在pH值7.0左右、攪拌時間50min、吸附溫度20℃、恒溫水浴振蕩轉(zhuǎn)速150r/min條件下，考察粘土投加量對鎘離子吸附性能的影響，試驗結(jié)果見表2。

表2 粘土投加量對Cd2+吸附性能的影響

從表2可以看出，粘土對Cd2+去除率隨粘土投加量的增大而逐漸增加，當粘土投加量增加到每100mL溶液1.5g以后，粘土對Cd2+去除率隨粘土投加量增加而增加的趨勢減慢；粘土吸附容量隨著粘土加入量增加而減小。粘土投加量每100mL溶液2.5g時，處理后溶液中鎘含量達到0.1mg/L以下，符合GB8796-1996第一類污染物最高排放標準。

3.5 吸附等溫線

在pH值7.0、攪拌時間50min、改性過的粘土投加量1.5g/100mLCd2+溶液、攪拌轉(zhuǎn)速150r/min、吸附溫度20℃條件下，粘土對不同初始濃度的Cd2+平衡吸附量見表3。

表3 不同初始濃度的平衡吸附量

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，以C 對S 作線性吸附等溫線見圖6，得到的試驗數(shù)據(jù)與線性模型擬合，其相關(guān)系數(shù)為0.966 7。

按方程：

式中：B為最大吸附量；Kt為Langmuir常數(shù)。以C 對C/S 作Langmuir吸附等溫線見圖7，得到試驗數(shù)據(jù)與Langmuir模型擬合較好，其相關(guān)系數(shù)為0.973 3。

4 結(jié)論

(1) 西寧盆地坡縷石粘土對Cd2+具有較好的吸附性能，粘土投加量每100mL溶液2.5g時，對初始Cd2+濃度為65.65mg/L的溶液，吸附后溶液Cd2+含量下降到0.1mg/L以下，符合GB8796-1996第一類污染物最高排放標準。

(2) 不同改性的粘土對Cd2+吸附性能有很大的影響，使用Na2CO3改性粘土可使其吸附性能大大改善，改性粘土對Cd2+吸附容量隨著Na2CO3加入量的增加而增加，Na2CO3與粘土最佳配比為3∶100。

(3) 采用0.3g Na2CO3/10g粘土改性的坡縷石粘土，吸附Cd2+時的適宜條件為：攪拌時間50min、粘土投加量1.5g/100mLCd2+溶液、吸附溫度20℃。

(4) 坡縷石粘土吸附Cd2+符合Langmuir吸附等溫模型。

[1]徐玉芬.粘土礦物對廢水中Cu2+、Cd2+、Cr3+的吸附實驗研究[J].礦產(chǎn)綜合利用,2008,(3):28-31.

[2]劉轉(zhuǎn)年,周安寧,金奇庭,等.粘土吸附劑在廢水處理中的應(yīng)用[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,4(2):54-57.

[3]TONNI A K, GILBERT Y S C, WAI-HUNG L, et al. Comparisons of low-cost adsorbents for treating wastewaters laden with heavy metals[J]. Science of the Total Environment, 2006,366:409-426.

[4]曹積飛,楊秋榮,李英杰,等.粘土礦物對重金屬有害元素吸附性研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2008,(1):42-44.

[5]胡振琪,楊秀紅,高愛林.粘土礦物對重金屬鎘的吸附研究[J].金屬礦山,2004,(6):53-55.

Study on the Adsorption of Cd2+Onto the Palygorskite Clay in Xining Basin

ZHANG Xing-ru, GUO Hui-bin, CUI Ming-xin, WANG Xiao-ning
(College of Chemical Engineering, Qinghai University, Xining 810016, China)

In this paper the adsorption of Cd2+onto the palygorskite clay in Xining basin was studied. The adsorption effects were investigated comprehensively by varying the modified methods, stirring time, clay dosage, adsorption temperature and initial solutions concentration etc. The results showed that, using Na2CO3modifying the clay, the best ratio for Na2CO3and clay is 3:100.The appropriate adsorption conditions were that stirring time of 50min, clay dosage of 1.5g/100mL and adsorption temperature of 20℃. In the range of experimental concentration, the adsorption of Cd2+onto the clay was consistent with Langmuir isotherm. The content of Cd2+in the treated solution was under 0.1mg/L when the clay dosage was 2.5g/100g. This result meets the standard GB8796-1996 for treating first class pollutants.

palygorskite clay; Cd2+; adsorption; Xining basin

P619.231;X703

A

1007-9386(2011)02-0042-03

教育部國家大學(xué)生創(chuàng)新實驗計劃(081074301)，青海省科技攻關(guān)項目(2008-G-109)。

2011-02-22