高嶺土去除鎘離子與對硝基苯酚二元污染物的研究

王莫茜（四川師范大學 四川成都 610068）

高嶺土的主要成分是高嶺石。高嶺石是1∶1型粘土礦物，為含水鋁硅酸鹽。其晶體結構由—Si—O四面體層和—Al—(O—OH)八面體層構成，四面體和八面體之間共享氧原子形成高度有序的準二維片層，具有較大的比表面積。高嶺石片層帶負電性，能吸附水中帶正電荷的離子和微粒[1]。比表面積大、吸附性能良好、儲量豐富、來源廣、成本低，其作為吸附劑去除廢水中的重金屬日益受到關注。其分子式為：Al2O3-2SiO2-2H2O。使用高嶺土吸附處理廢水具有以下優點：（1)儲量豐富，價格低廉；（2)制備方法簡單；（3)吸附效果好；（4)具有良好的機械性、穩定性。因此，高嶺土將在廢水處理中具有良好的應用前景。

1 實驗部分

1.1 材料和試劑

1.1.1 實驗材料

實驗所用材料：高嶺土（山西某高嶺土公司提供），100℃烘干，200℃～500℃煅燒。

實驗所用水樣：蒸餾水配制的模擬水樣。

1.1.2 實驗試劑

（1）測定Cd2+的實驗試劑：三乙醇胺溶液；37%甲醇；2mol/L的NaOH溶液；雙硫腙——CTMAB溶液：稱取0.25g分析純雙硫腙，加入0.5gCTMAB（十六烷基三甲基溴化胺），定容至500mL，搖勻。在60℃～70℃下水浴加熱30min，放暗處靜置20min，取上清液使用。

（2）測定PNP的試劑：4mol/L的NaOH溶液。

1.2 測定方法

1.2.1 雙硫腙——CTMAB比色法[2]

廢水中鎘的測定可用原子吸收法和分光光度法。鎘可與多種顯色劑顯色，但多數顯色劑都不普及，故本次試驗采用雙硫腙水相光度法進行比色，本方法具有具快速、準確、靈敏度高的特點。原理：在表面活性劑CTMAB(十六烷基三甲基溴化銨)存在下，堿性體系中的Cd2+與雙硫腙發生靈敏的顯色反應，形成溶于水的紅色絡合物。在530nm處，用1cm比色皿比色測其吸光度，配合物及顯色劑的吸光度在5d內基本不變。顯色體系中采用三乙醇胺、37%甲醇作掩蔽劑，測定Cd2+時可消除下列離子的干擾：Fe2+、Fe3+、Al3+、Ni3+、Co2+、Hg2+、Ag+。

1.2.2 紫外分光光度法[3]

波長=400nm，pH=12.3，用于測試對硝基苯酚的方法。

1.3 實驗步驟

取適量已知濃度的鎘溶液、對硝基苯酚溶液于50mL三角瓶中，加適量1mol/L的HNO3和NaOH溶液調節pH值至所需后，投加適量煅燒高嶺土，用HY-4型振蕩器振蕩，靜置后離心5min，取2份上清液，測pH值，一份依次加入三乙醇胺溶液1mL，37%甲醇溶液1mL，2mol/L的NaOH溶液數滴，雙硫腙——CTMAB溶液8mL，稀釋之50mL，稍作靜置。以蒸餾水做參比，測定鎘離子吸光度；另一份稀釋至25mL滴加NaOH溶液使PNP顯色，稍作靜置。以蒸餾水做參比，測定對硝基苯酚吸光度。

2 結果與討論

2.1 高嶺土的投加量對去除二元污染物的影響

取煅燒高嶺土 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6g， 加入到 50mL 濃度為8.0mg/L PNP，10.0mg/L Cd2+的混合溶液中，室溫21.6℃下振蕩0.5h。實驗步驟同1.4，實驗結果如圖1。

圖1 高嶺土的投加量對去除二元污染物的影響

由圖1可知，二元混合體系中，隨著高嶺土用量的增加，PNP和Cd2+的去除率都呈上升趨勢，最佳去除率分別為81.85%和66.63%。而后隨著煅燒高嶺土用量的增加都呈下降趨勢，這是因為煅燒高嶺土投加量增多，活性位點增多，有利于去除，但隨著煅燒高嶺土用量的增加，有效比表面積將降低，故去除率降低。而Cd2+和PNP之間發生競爭吸附[4]，從而減少了高嶺土對Cd2+的去除。

2.2 溫度對煅燒高嶺土去除二元污染物的影響

取0.25g煅燒高嶺土，加入到50mL濃度分別為8.0mg/L和10.0mg/LPNP 與 Cd2+混合溶液中， 在室溫 22.4、30.0、40.0、50.0、60.0、70.0℃下振蕩1h。實驗步驟同1.4，實驗結果如圖2。

圖2 溫度對煅燒高嶺土去除二元污染物的影響

由圖2可知，二元混合體系中，當溫度為30oC時，PNP與鎘離子都達到了最佳去除效果，分別為84.96%和79.52%。而30oC～70 oC對去除率幾乎沒有影響。這是因為溫度對于吸附過程主要有兩方面的影響。由于降低了溶液的折合粘度[5]，升高溫度可以增加PNP和Cd2+在高嶺土表層界面上以及小孔里的分散速度。在吸附達到30℃前，是由物理吸附到化學吸附的過渡區域，這時兩種吸附狀態共存。由于溫度不夠高，化學吸附速率不夠快，所以不是平衡結果。由于化學吸附需要活化能，故升高溫度對化學吸附有利，即隨著溫度的升高，吸附容量增大。當達到吸附最高點時，化學吸附達到平衡，由于吸附是放熱過程，所以此時隨著溫度的升高，吸附容量反而降低。而Cd2+和PNP之間發生競爭吸附，從而減少了高嶺土對Cd2+的去除。

2.3 pH對煅燒高嶺土去除二元污染物的影響

取0.25g煅燒高嶺土，加入到50mL濃度分別為8.0mg/L和10.0mg/L的PNP與Cd2+混合溶液中，用HCl和NaOH將原水pH調至2，4，6，8，10，12 在 30℃下振蕩 1h。 實驗步驟同 1.4，實驗結果如圖 3。

圖3 pH對煅燒高嶺土去除二元污染物的影響

由圖3可知，二元混合體系中，當pH在4左右時PNP去除率最高，為85.35%，當pH在8左右時Cd2+去除率最高，為79.62%。這是因為PNP是可離子化有機物[6]，不同pH條件下，其分子態形式不同，在酸性溶液中，PNP主要以中性分子形態存在，通過分配作用、靜電吸附及氫鍵結合等方式吸附于高嶺土上，吸附量較大，但溶液中存在的H+與PNP產生競爭吸附，因此在pH<4的情況下，PNP的去除率隨pH的減小而減小，且在pH=4左右時達到峰值。在弱酸性至中性條件下，隨著pH升高，PNP逐漸離解，其分子態存在比例隨pH的增大而減小，而在堿性條件下，PNP完全以離子形式存在，PNP離子帶負電，而高嶺土也帶負電，因此PNP離子與相應的表面電位產生靜電排斥作用，而使PNP的去除率顯著減少。此時Cd2+在高嶺土上的吸附主要以靜電作用為主[7]，溶液處于酸性環境中，pH通過改變表面電荷進而影響靜電作用，pH升高，高嶺土表面的負電點位增加，Cd2+容易與氫氧根離子形成沉淀而粘附在高嶺土表面，從而促進了Cd2+的去除。而Cd2+和PNP之間又發生了競爭吸附，從而減少了煅燒高嶺土對Cd2+的除去。

2.4 高嶺土去除二元污染物的最佳條件

綜合以上實驗，高嶺土去除二元污染物的最佳條件如表1。

表1 高嶺土去除二元污染物的最佳條件

3 結語

本實驗主要研究了高嶺土去除對硝基苯酚（PNP）和鎘離子（Cd2+）二元污染物，為了更好的研究，首先進行了煅燒高嶺土去除對硝基苯（PNP）和鎘離子（Cd2+）單一體的實驗作為參照，然后完成煅燒高嶺土去除PNP和Cd2+組成的二元污染的實驗。實驗表明，煅燒高嶺土去除鎘離子的效果較好，且比較穩定，去除對硝基苯酚的效果較佳。煅燒高嶺土的制備工藝相對簡單，成產成本低，使得其處理含對硝基苯酚和鎘離子的廢水的投資及運行費用較低，因此該法處理含對硝基苯酚和鎘離子廢水在經濟上是可行的。

[1]葉舒展,周彥豪,陳福林.高嶺土表面改性研究進展[J].橡膠工業,2004(51):759-7641.

[2]張慧,竇惠源.D751螯合樹脂吸附鈾酰、銅、鎳、鋅及鈷的研究[J].核化學與放射化學,1990,12(4)：214-219.

[3]國家環境保護總局,編委會.水和廢水監測分析方法.水和廢水監測分析方法[M].北京:中國環境科學出版社第4版.,2002,583-585.

[4]蔣展鵬,楊津湘.苯酚與重金屬在活性炭上的競爭吸附[J].水處理技術.1989,（6）:313-319.

[5]曹秀華,王煉石.高嶺土夾層復合物的合成、結構和應用[J].材料科學與工程學報,2003,21(3)：456-459.

[6]Amiri，F.，Rahman，M.M.，Bornick，H.，et al.Sorption behavior of pHenols on natural sandy aquifermaterial during flow through column experiment:the effectof PH [J].Aeta Hydrochim.Hydrobiol,2004,(32):214-224.

[7]APPel，C.，Mal，L.Coneentration，pH，and surface charge effeets on cadmium and lead sorptiong in three tropical soils[J].J.Environ.Qual,2002，(31):581-589.