鹽酸改性凹凸棒土對銅離子的吸附性能

摘要：采用不同濃度鹽酸對凹凸棒土進行改性，研究其對Cu2+的吸附性能，同時研究了水樣中Cu2+的初始濃度、水樣pH、吸附振蕩時間及投加量對其吸附性能的影響。結果表明，6 mol/L鹽酸處理的凹凸棒土對Cu2+吸附能力最佳；Cu2+的初始濃度越高吸附率越低；在Cu2+初始濃度20 mg/L、水樣pH 8、改性凹凸棒土加入量為50 g/L、振蕩時間50 min時Cu2+的吸附率為93.85%；鹽酸改性凹凸棒土對Cu2+的吸附行為符合Langmuir吸附等溫方程，飽和吸附量約為20.0 mg/g。

關鍵詞：凹凸棒土；鹽酸；Cu2+；吸附性能

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）02-0313-03

凹凸棒土又稱坡縷石或坡縷縞石，是一種具有鏈層狀結構的含水富鎂硅酸鹽黏土礦物。在礦物學上屬于海泡石族。凹凸棒土晶體是一種天然的一維無機納米材料，由于其單晶內部是孔道結構，因而具有較大的比表面積和良好的吸附性能，被廣泛用作吸附劑、催化劑及載體、鉆井泥漿增稠劑、黏結劑、飼料添加劑等，特別是在水處理領域應用最為廣泛[1，2]。

目前，在水處理領域對凹凸棒土吸附性能的研究主要集中在對其進行改性，從而提高其吸附性能。主要的改性方法有超聲波處理[3]、高溫焙燒處理[4]、表面活性劑處理[5，6]、酸化處理[7，8]及化學添加劑處理[9]。這里利用鹽酸對凹凸棒土進行改性，研究其對Cu2+的吸附性能，并獲取最佳工藝條件，為工業過程的工藝參數提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試劑：Cu2+（分析純）、硝酸（分析純）、鹽酸（分析純）。凹凸棒土：江蘇南大紫金集團有限公司生產。水樣：實驗室配制。儀器：干燥箱、電動攪拌器、電子分析天平、玻璃恒溫水浴槽、BFS-2100型雙光束原子吸收分光光度計、臺式多用恒溫振蕩器、循環水式真空泵、數顯pH計和電動離心機。

1.2 方法

1.2.1 分析方法 采用文獻[10]中原子吸收分光光度法測定Cu2+濃度。

1.2.2 凹凸棒土的改性 稱取10.0 g凹凸棒土至500 mL燒瓶中，分別用4、5、6、7 mol/L鹽酸進行改性，用電動攪拌機攪拌20 min，靜置24 h，過濾，水洗至pH 6，放入干燥箱（105 ℃）中烘干。研磨成粉末，置于干燥密閉容器中保存。

2 結果與分析

2.1 不同濃度鹽酸改性凹凸棒土對Cu2+吸附率的影響

配制一定量的20 mg/L Cu2+模擬水樣，用移液管準確移取50 mL分別加入到4個250 mL錐形瓶中。每個錐形瓶分別加入經過不同濃度鹽酸改性后凹凸棒土2.0 g，然后同時放入振蕩器中振蕩，40 min后取出將溶液分別倒入4個離心管內，4 000 r/min離心3 min取上清液。最后用原子吸收分光光度法測定溶液中Cu2+的剩余濃度，結果見表1。由表1可見，經過濃度為6 mol/L的鹽酸改性的凹凸棒土對Cu2+的吸附效果最好，因此，在試驗中選用6 mol/L鹽酸對凹凸棒土進行改性處理。鹽酸改性凹凸棒土，一方面可以有效去除凹凸棒土孔隙中的雜質離子，另一方面H+由外向內依次交換凹凸棒土中的陽離子，擴大了孔的通道，從而增大凹凸棒土的比表面積。但當鹽酸濃度達到7 mol/L時，凹凸棒土吸附性能下降，可能與鹽酸濃度過大導致凹凸棒土晶體溶解有關[11]。

2.2 水樣pH對Cu2+吸附率的影響

以經6 mol/L鹽酸處理后的凹凸棒土為吸附劑，分別配制pH 2、4、6、8、10的20 mg/L Cu2+模擬水樣，進行吸附試驗，結果見圖1。由圖1可知，水樣中Cu2+的吸附率隨pH的增大而增加，當pH在8左右時，吸附率達到93.51%。pH進一步增大時Cu2+的去除率變化不大，因而在使用該方法處理含銅廢水時，應控制溶液pH在8左右為宜。

2.3 振蕩時間對Cu2+吸附率的影響

以經6 mol/L鹽酸處理后的凹凸棒土為吸附劑，配制pH為8的20 mg/L Cu2+模擬水樣，振蕩時間分別控制為10、20、30、40、50、60 min，進行吸附試驗，結果見圖2。由圖2可見，凹凸棒土對水中的Cu2+吸附率隨時間的延長而逐漸增大。在50 min后吸附率達到最大且基本穩定，認為吸附達到平衡，再延長振蕩時間對Cu2+吸附率影響較小。因此，試驗中選取振蕩時間為50 min。

2.4 凹凸棒土的投加量對Cu2+吸附率的影響

以經6 mol/L鹽酸處理后的凹凸棒土為吸附劑，配制pH為8的20 mg/L Cu2+模擬水樣，振蕩時間為50 min，凹凸棒土的投加量分別為10、20、30、40、50、60 g/L，進行吸附試驗，其結果見圖3。由圖3可見，隨著凹凸棒土投加量的增加，對Cu2+的吸附率逐漸升高。當凹凸棒土投加量為50 g/L時，吸附率達到93.85%，繼續增加凹凸棒土投加量，吸附率升高緩慢，到60 g/L時為94.20%。因此，凹凸棒土最佳投加量選用50 g/L。

2.5 水樣Cu2+初始濃度對Cu2+吸附率的影響

按照50 g/L的投加量將改性凹凸棒土投加到初始濃度分別為10、20、30、40、50 mg/L的Cu2+模擬水樣中，按照以上試驗條件進行吸附，吸附結果見圖4。由圖4可見，隨著Cu2+初始濃度的不斷增大，改性凹凸棒土對Cu2+吸附率逐漸下降。Cu2+初始濃度為10～20 mg/L時，吸附率緩慢下降，當Cu2+初始濃度為30～50 mg/L時吸附率變化明顯，在Cu2+初始濃度為50 mg/L時吸附率僅為70.25%。

2.6 吸附等溫曲線

按照2.5試驗條件進行吸附試驗，測定改性凹凸棒土對Cu2+的吸附率，得到一定溫度下（293 K）的平衡濃度與平衡吸附量，以1/qe～1/ce作圖得到的吸附等溫曲線如圖5所示。由圖5可知，鹽酸改性凹凸棒土對Cu2+吸附在試驗濃度范圍內符合Langmuir 吸附模型，將試驗數據進行回歸處理可以求得Langmuir 吸附等溫方程為1/qe=0.0831/（1/ce）+0.043 8，相關系數為0.998 9，由方程截距0.043 8可求得改性后凹凸棒土的飽和吸附量為20.0 mg/g。

3 結論

1）凹凸棒土經6 mol/L鹽酸改性后對Cu2+吸附性能最佳，鹽酸改性凹凸棒土的吸附能力隨水樣Cu2+初始濃度的增加而降低，同時鹽酸改性凹凸棒土的吸附能力還受水樣pH、改性凹凸棒土的投加量和振蕩時間的影響。試驗結果表明，當水樣中Cu2+初始濃度為20 mg/L、pH 8、改性凹凸棒土加入量為50 g/L、振蕩時間為50 min時，Cu2+的吸附率為93.85%。

2）在試驗條件下，鹽酸改性凹凸棒土對Cu2+的吸附行為符合Langmuir 吸附模型，其對Cu2+的飽和吸附量約為20.0 mg/g。

參考文獻：

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[11] 黃健花.凹凸棒土的有機改性及其應用[D].無錫：江南大學，2008.