改性沸石對廢水中錳的吸附研究

張 超 李建華 蔡貝珊

(1.中國神華能源股份有限公司神東煤炭分公司石圪臺煤礦地質科，陜西榆林 719315;2.龍巖安居住宅建設有限公司，福建龍巖 364000)

錳是一種廣泛存在于自然環境當中的重金屬痕量元素，水中錳的價態可以由+1價到+7價，然而由于穩定性原因，自然界水體中多為還原態的Mn2+和氧化形式的MnO2［1，2］。近年來隨著煤炭開采量的逐漸增加，礦山廢水的排放量也是日益增多，導致了環境中的污染物質總量呈遞增趨勢，其中錳離子是礦山廢水中具有代表性的一種污染物。人體可以通過食物鏈造成重金屬錳的積累，會產生嚴重的毒性效應，損害大腦和呼吸系統，并且引發各種病癥，造成人體危害［1，3-5］。吸附法是去除水中污染物的重要方法之一，不僅適用于去除有機物，同樣對重金屬有著良好效果，具有去除效果好、操作簡單、成本容易控制、不產生毒副產物等優點［6-10］。沸石具有特殊的硅(鋁)氧四面體結構［11］，比表面積較大，是很好的吸附材料，然而通過改性可以不同程度的破壞沸石的表面，使沸石的比表面積增加，從而提高了沸石的吸附和離子交換性能［11，12］。為此，本研究擬采用NaOH對沸石進行改性，用于吸附水中重金屬Mn2+，本研究可為改性沸石礦山廢水中錳離子的研究提供理論依據。以單因素實驗系統考察吸附劑用量、吸附時間、初始濃度和溫度對吸附效果的影響，探討NaOH改性沸石對Mn2+的吸附。

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

天然沸石(分析純，河南晶科水處理材料有限公司);氯化錳(分析純，國藥集團化學試劑有限公司);氫氧化鈉(分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司);濃鹽酸(分析純，湖南株洲化學工業研究所)。超純水系統(重慶奧恩科技有限公司);電子分析天平(梅特勒—托利多儀器有限公司);Delta320臺式pH計(梅特勒—托利多儀器有限公司);AA-7002A原子吸收分光光度計(北京三雄科技)。

1.2 沸石預處理

沸石的預處理可以去除天然沸石表面含有的可溶解性有機物和無機物，減少對實驗過程的干擾。處理步驟如下:首先將購買回來的沸石置于燒杯中，加入100mL的超純水攪拌浸泡2 h，過濾，最后再清洗3次;然后在105℃下干燥至恒重，將其置于干燥器中并冷卻至室溫，用密封袋密封儲存備用。

1.3 沸石改性

稱取一定量經預處理后的沸石將其置于250mL燒杯中，加入過量2mol/L的NaOH溶液，50℃水浴加熱4 h，倒出上清液，用去離子水洗滌3次，在80℃溫度下烘干備用。

1.4 吸附試驗

取100mL濃度為10mg/L的含Mn2+溶液分別置于250mL的錐形瓶中，加入改性后的沸石100 mg，室溫條件下置于搖床中振蕩，振蕩時間120min，靜置后于3000r/min下離心10min，取上清液用原子吸收光譜儀測反應后Mn2+的濃度。

2 結果與討論

2.1 吸附劑用量對吸附效果的影響

選用處理后改性沸石作為吸附劑，按照吸附實驗方法，當Mn2+的濃度為10mg/L時，溫度為25℃，吸附時間為120min，在不調節pH值的條件下，考察吸附劑投加量對水溶液中Mn2+的吸附效果，用量控制在20 mg～200 mg之間，結果如圖1所示。

由圖1可知，隨著改性沸石用量的增加，改性沸石對Mn2+的吸附量逐漸增大，這是由于隨著改性沸石用量的增加，溶液中改性沸石總的表面積增大，導致吸附劑有效吸附位點增多。當改性沸石的用量由20 mg增加到200 mg時，改性沸石對Mn2+的吸附量從3.96mg/g增加到9.91mg/g，當用量為100 mg時，吸附量達到9.72mg/g。研究結果表明吸附劑用量是影響Mn2+吸附的重要影響因素，綜合經濟成本和吸附效果，選擇100 mg作為吸附劑最佳用量。

2.2 吸附時間對改性沸石吸附Mn2+的影響

選用處理后改性沸石作為吸附劑，按照吸附實驗方法，當Mn2+的濃度為10mg/L時，溫度為25℃，吸附劑用量為100 mg，在不調節pH值的條件下，考察吸附時間對水溶液中Mn2+的去除效果的影響，吸附時間控制在30min～180min之間，結果如圖2所示。

圖1 投加量對去除率的影響

圖2 吸附時間對去除率的影響

由圖2可知，隨著吸附時間的延長，吸附劑對Mn2+的吸附量逐漸增大，尤其在120min以內，吸附量與去除率升高較顯著。當吸附時間為120min時，吸附量達到9.81mg/g，當繼續延長吸附時間至180min時，吸附量達到最大為9.91mg/g。在120min～180min之間吸附速率趨于平緩，吸附量增加很小，這表明溶液中Mn2+濃度越高，吸附劑與其接觸的機會越多，吸附也就越快，隨著吸附時間的延長，溶液中Mn2+的濃度越來越低，吸附劑與Mn2+接觸的機會減少，導致吸附速率減小。綜合考慮選擇120min為合適的吸附時間。

2.3 初始濃度對吸附性能的影響

選用處理后改性沸石作為吸附劑，按照吸附實驗方法，當溫度為25℃，吸附時間為120min，吸附劑用量為100 mg，在不調節pH值的條件下，考察Mn2+的初始濃度對去除效果的影響，Mn2+的濃度控制在10mg/L～70mg/L之間，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著溶液中Mn2+初始濃度的增大，吸附劑對Mn2+的去除率由初始濃度為10mg/L的39.6%上升到20mg/L的93.5%，再逐漸下降至70mg/L的70.0%;吸附量由10mg/L的9.3mg/g增加到70mg/L的42mg/g。當初始濃度分別為50mg/L，60mg/L，70mg/L時，吸附量增加很小，這是由于吸附劑對溶液中Mn2+的吸附量逐漸趨于飽和。

2.4 溫度對吸附性能的影響

選用處理后改性沸石作為吸附劑，按照吸附實驗方法，當Mn2+的濃度為10mg/L時，吸附時間為120min，吸附劑投加量為100 mg，在不調節pH值的條件下，考察溶液初始溫度對水溶液中Mn2+的去除效果，溫度控制在5℃～35℃之間，結果如圖4所示。

圖3 初始濃度對去除率的影響

圖4 溫度對去除率的影響

由圖4可知，隨著Mn2+溶液初始溫度的升高，吸附劑對Mn2+的吸附效率和吸附量逐漸增大。當溫度由5℃提高至50℃時，吸附效率由73.0%上升到99.2%，吸附量由7.30mg/g增加到9.92mg/g。這是由于隨著溶液初始溫度的升高，溶液中的Mn2+和吸附劑的運動加快，其相互之間的吸附碰撞的機會增加，導致吸附效率和吸附量的增加。

3 結語

改性沸石對Mn2+吸附效果良好，當Mn2+溶液初始濃度為10mg/L，吸附劑投加量為100 mg，吸附時間為120min，溶液初始溫度為25℃時，最大吸附容量為9.91mg/g，去除率達到99.1%。

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