改性高嶺土吸附城市生活污水中鉛的實驗研究

張磊磊，馬發韶，張 寧，程 偉，丁述理

(河北工程大學 資源學院，河北 邯鄲056038)

鉛是有毒重金屬，含鉛廢水嚴重危害人體健康和農作物生長，因此含鉛廢水的處理問題日益引起人們關注。常見的處理方法包括化學沉淀法、離子交換法、反滲透法、膜過濾法和吸附法等，其中吸附法作為一種物理化學方法，以其低成本、高效能、可操作性強的特點被廣泛運用。高嶺土是具有特殊分子結構及不規則性晶體缺陷的硅鋁非晶體材料，對其進行表面改性可以增強吸附性能。翟田濤［1]研究發現改性高嶺土對水中磷具有較好吸附效果，吸附率超過80%;王小波等［2]利用恒溫振蕩試驗，研究了酸、堿、鹽改性高嶺土對水中氮去除效果的影響，結果表明，改性處理后各高嶺土對水體中氮吸附速率顯著加快;楊翠娜等［3]研究發現膨潤土具有良好的離子交換性和吸附性，其在重金屬廢水處理中具有較好的效果;Uzum等［4]利用液相還原法在高嶺石表面合成納米零價鐵，并將改性高嶺石用于吸附廢水中的 Cu2+和Co2+。實驗結果表明，改性高嶺石對Cu2+和Co2+的吸附效果較好。利用高嶺土去除污水中鉛的文獻較少，本文研究了有機硅烷改性高嶺土吸附水中鉛的效果及吸附動力學機理，為污水中鉛處理提供理論依據。

1 實驗材料及儀器

化學試劑:濃硫酸，氫氧化鈉，KH580硅烷偶聯劑，廢水，取自邯鄲市滏陽河污水排放口，pH為 7.3。

實驗儀器:721型可見光分光光度計，SX－2型馬弗爐，D/MAX2000型 X射線衍射儀，JSM6360LV型掃描電子顯微鏡。

高嶺土:蘇州高嶺土，顏色灰白。

2 改性實驗

2.1 酸處理高嶺石

取50 g高嶺土樣品與200 ml 5M硫酸混合攪拌24 h。用蒸餾水清洗樣品，同時監測溶液的pH值直到達到6.5。然后把樣品放入恒溫干燥箱，在105℃烘干2 h存儲備用。

2.2 偶聯劑處理高嶺土

取40 g酸處理過的樣品，加入18 g NaOH制成混合液，將200 ml H2SO4溶液添加到混合液中，在室溫下充分攪拌30 min。然后再加入176 ml硅烷偶聯劑KH580，用玻璃棒充分攪拌混合5 min。由此產生的凝膠進一步同100 ml蒸餾水混合，然后在室溫下攪拌1 h，靜置12 h。混合液冷卻后放入馬弗爐內在530℃高溫煅燒6 h。所產生的材料冷卻到室溫，并且用去離子水徹底地清洗以去除反應中多余的NaOH和NaCl，然后在105℃溫度下烘干。

取未用酸處理過的高嶺土原土，按照上述步驟進行實驗，作為比對。

3 結果與分析

3.1 化學成分

原始高嶺土樣品和硅烷偶聯劑KH580處理過(未用水清洗過)的樣品的化學分析結果如表1所示。從表中可以看出:未經處理的樣品 SiO2和Al2O3含量分別為 50.8%和 30.8%，SiO2/Al2O3比值為1.5。但是這個比率在KH580處理過的高嶺土樣品中增加到2.6，這證實了此樣品中SiO2的增加量來自硅烷偶聯劑KH580。鋁硅比例增大將增加表面負性，因此增加高嶺土表面吸附容量。

表1 KH580改性前后高嶺土樣品化學成分Table.1 The composition of raw kaolin and modified kaolin by using KH580 %

3.2 零電荷點pH值

零電荷點控制著顆粒表面的電泳流動，使表面總電荷價趨向于零。電荷零點狀態下的pH值稱為電荷零點pH值，記為pHzpc。

圖1顯示出不同手段處理的高嶺土樣品的零電荷點溶液pH的差異。未處理的高嶺石零電荷點pH為5.5。煅燒后數值降到5.0，用硫酸處理后由于表面氫離子的吸附作用數值變為2.5。當用KH580和NaOH處理時，高嶺土樣品pH值分別增加到6.9和7.2，這是表面增加更多氧化物的結果。因此，如果包含目標污染物的溶液的pH值超過了高嶺石的零電荷點，它的表面將有負電荷網并且顯著的顯示出陽離子交換的能力，同時如果pH值低于零電荷點，污水中將主要保留陰離子。因此，硫酸處理過的高嶺石樣品顯示出更大地去除溶液中重金屬的潛力，然而有機硅烷處理過的樣品顯示出更大地去除有機污染物的潛力。

3.3 陽離子交換容量

不同高嶺石樣品陽離子交換容量值顯示如圖2。由圖可知:硅烷偶聯劑KH580處理過的高嶺石樣品顯示最高的陽離子交換量，其值為12.7 meq/100g，煅燒處理過的樣品顯示出最低值6.5 meq/100g。這歸因于煅燒使可交換原子散失，高嶺石結構破壞。未處理高嶺石樣品陽離子交換值為8.7 meq/100g，這同其它文獻記錄值是一致的［5]。酸處理可以過濾掉相關的堿和堿的氧化物，這導致陽離子交換值降低到7.2 meq/100g。根據陽離子交換量值以及原始樣品和處理過的樣品的化學成分，可以認為鉀和鐵是原始樣品中的可交換離子，硅烷處理后鈉進入結構中。

3.4 等溫吸附

圖3顯示了不同處理方法的高嶺石樣品鉛離子吸附等溫線。可知當鉛在溶液中的平衡濃度是131.3 mg/L時，硅烷KH580處理過的高嶺土樣品的最大吸附量為53.7 mg/g，未處理高嶺土吸附量是12.3 mg/g。這些等溫線同等溫吸附模型方程匹配，可以發現:未處理高嶺土對鉛的吸附過程可用BET型吸附等溫線很好的模擬。當R2=0.998時，Shawabkeh－Tutunji方程最能代表有機硅烷處理樣品的回歸系數，平方差為0.98和0.97時，吸附量分別為47.463 mg/g和86.238mg/g。利用這些吸附等溫線模型分析可以得出:鉛化學吸附發生在處理過的高嶺石表面，而物理吸附發生在原始高嶺石表面。利用Langmuir方程的Q參數得到鉛單層的最大吸附容量，可以發現硅烷處理樣品最大吸附容量為54.351 mg/g，未處理高嶺石是13.32 mg/g。

4 結論

(1)用硅烷偶聯劑KH580處理過的高嶺土相比于天然高嶺土，提高了SiO2/Al2O3比值和表面積，增加了高嶺土表面吸附容量。

(2)改性高嶺土對鉛的吸附符合Shawabkeh－Tutunji吸附等溫線，高嶺土對鉛的吸附以化學吸附為主，主要發生在顆粒表面，活性高嶺土表面不可逆的化學吸附增強了水溶液中鉛的去除能力。

(3)改性高嶺土對污水中的鉛具有較好的去除效果，高嶺土表面對鉛的最大吸附能力是54.35 mg/g。

［1] 翟由濤.改性高嶺土對水中磷的吸附行為研究［J] .安徽農業科學，2010，38(28):84 －85.

［2] 王小波，王艷，盧樹昌，等.改性高嶺土對水體中氮磷去除效果的研究［J] .農業環境科學學報，2010，29(9):1784－1788.

［3] 楊翠娜.膨潤土在污水處理中的應用研究進展［J] .河北化工，2008，31(12):20 －23.

［4] UZUM C，SHAHWAN T，EROGLU A E，et al.Synthesisand characterization of kaolinite－supported zerovalent iron nanoparticles and their application for the removal of aqueous Cu2+and Co2+ions［J] .Appl Clay Sci，2009.43(2):172 －181.

［5] MOHAPATRA D，MISHRA D，CHAUDHURY G R ，et al.Arsenic adsorption mechanism on clay minerals and its dependence on temperature［J] .Korean J Chem Eng，2007，24(3):426 －430.