膨潤土對重金屬離子競爭吸附研究

李宇+王雪菲

摘 要：通過間歇試驗研究了膨潤土對雙組份與三組份競爭溶液中Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）的吸附特性。試驗結果表明，Cu（II）和Ni（II）對于Pb（II）的吸附均有抑制作用，Cu（II）較Ni（II）對于Pb（II）的吸附影響效果明顯。可采用Langmuir模型模擬膨潤土對單組份Pb（II）的等溫吸附過程，而單組份Cu（II）和Ni（II）的試驗結果更符合Freundlich模型。膨潤土對單組份與三組份溶液中Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）的吸附能力大小順序均為Pb（II）>Cu（II）>Ni（II）。

關鍵詞：膨潤土；競爭吸附；鉛；銅；鎳

隨著城市化以及工業化的發展，采礦、冶煉、制革、電鍍、電池和機械制造等工業過程中，產生各種重金屬進入到大氣、水體、土壤中，往往造成兩種或兩種以上的多種重金屬并存的復合污染。在環境中存在的重金屬具有一定毒性，在土壤與水體遷移過程中，可被水生動物、植物吸收，通過食物鏈在動物與人體中富積，引起各種疾病，對人類生存造成嚴重危害。近年來，重金屬污染事件頻繁發生，實際的重金屬污染情況多為復合污染，因此，多體系的重金屬水污染處理受到更多學者關注與研究。

一、材料與試驗方法

（一）試驗材料

來自大連地區的膨潤土，膨潤土的準備過程參照文獻[1]。試驗所用硝酸鉛、氯化銅、氯化鎳均為分析純，將其分別配置成1000mg/L的母液。

（二）試驗方法

將0.1g的膨潤土與50mL不同濃度的Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）溶液混合于100mL的錐形瓶中，錐形瓶置于恒溫振蕩器中，恒定溫度為20℃，轉速為120 rpm，振蕩12h，靜置3h后的溶液通過離心機以5000 rpm離心20 min，用原子吸收分光光度計測定平衡后溶液中Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）的濃度。

按下式計算的吸附量qt、去除率R：

式中，C0，Ct，Ce分別為溶液中重金屬離子的初始，t時刻與平衡時濃度（mg/L）。

二、結果與討論

（一）單組份等溫吸附

Pb（II）初始濃度為100、120、140、160、180、200mg/L，Cu（II）、Ni（II）初始濃度均為10、20、40、60、80、100 mg/L，反應時間為12h，其他條件與動力學試驗相同，試驗結果見圖1。

由圖1可得，Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）均呈現出隨初始濃度增大，吸附量增加的趨勢。初始濃度均為100 mg/L時，Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）的吸附量分別為43.249、4.838和4.587mg/g，說明膨潤土對此三者吸附強弱順序為Pb（II）>Cu（II）>Ni（II），此結果與已有的研究成果一致[2]。Pb（II）的吸附量最大，可能取決于電負性最大，電負性大小順序為Pb（II） > Cu（II） > Ni （II） [3]；另外，Pb（II）水合離子半徑最小，活性吸附位點數量一定時，達到飽和狀態，則Pb（II）的吸附量要大，且Pb（II）的水合能低于Cu（II）和Ni（II），更易于吸附到膨潤土中礦物表面。

采用Langmuir和Freundlich兩種模型對吸附數據進行擬合，以研究Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）在膨潤土上的吸附特性。

無量綱分離因子RL，它的大小在一定的程度上能夠反映吸附過程是否有利。0

由表1可知，nPb（II）>nCu（II）> nNi（II）>1，且KF，Pb（II）>KF，Cu（II） >KF，Ni（II），表明膨潤土對金屬親和力大小順序為Pb（II）>Cu（II）>Ni（II），與Langmuir模型擬合相符。根據表1，Langmuir模型能夠很好地擬合Pb（II）的吸附數據，而Cu（II）和Ni（II）的試驗結果更符合Freundlich。

（二）雙組份體系等溫吸附

在雙組份（Pb（II）-Cu（II）、Pb（II）-Ni（II））吸附試驗中，Pb（II）的初始濃度為100、120、140、160、180、200mg/L，Cu（II）、Ni（II）的初始濃度變化范圍為10-100mg/L（10、20、40、60、80、100mg/L），恒溫20℃，保持固液比為1g/L，pH值不變化。Cu（II）對Pb（II）、Ni（II）對Pb（II）吸附的影響分別如圖2和圖3所示。

在Pb（II）-Cu（II）雙組份體系中，當加入Cu（II）的初始濃度由10mg/L到100mg/L時，Pb（II）的吸附量均降低。Pb（II）的初始濃度為200mg/L時，加入100mg/L的Cu（II）離子，Pb（II）的吸附量比Pb（II）單組份試驗降低了63.5%。因膨潤土表面活性吸附位點數量固定，Cu（II）的加入，占用了相應的吸附位點，而降低了Pb（II）的去除。當Cu（II）的初始濃度低于40mg/L時，對于Pb（II）吸附的影響較為明顯；當初始濃度高于40mg/L時，對于Pb（II）的吸附干擾較為穩定，由于表面活性吸附位點基本飽和。當Pb（II）的初始濃度為120mg/L時，Cu（II）的初始濃度為60、80、100mg/L時，Pb（II）的吸附量分別為33.38、29.19和27.46mg/g。

在Pb（II）-Ni（II）雙組份體系中，通過與圖2對比，發現Ni（II）對Pb（II）吸附的影響弱于Cu（II）對Pb（II）吸附的影響。Pb（II）的初始濃度為200mg/L時，加入100mg/L的Ni（II），Pb（II）的吸附量比Pb（II）單組份試驗降低了34.9%。當Ni（II）的初始濃度為10mg/L時，等溫吸附線與單組份Pb（II）的吸附線基本一致，即可忽略Ni（II）對Pb（II）吸附的影響。

（三）三組份體系等溫吸附

Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）的初始濃度比例為1：1：1，固液比為1g/L，不調節pH值，反應時間為12h。試驗結果對比在表2中，不同初始濃度三組份體系中Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）的吸附量分別低于單組份Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）的吸附量，這是由于Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）離子相互競爭吸附位點的結果。當Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）的初始濃度為60、100、200mg/L時，Ni（II）的吸附量分別為2.875、2.13、1.15mg/g，表明Ni（II）與Pb（II）、Cu（II）競爭較弱。膨潤土對三者選擇性順序大小為Pb（II）>Cu（II）>N（II），與單組份試驗結果相同。

三、結論

1、雙組份等溫吸附試驗，Cu（II）和Ni（II）對于Pb（II）的吸附均有抑制作用，且Cu（II）較Ni（II）對于Pb（II）的吸附影響效果明顯。

2、可采用Langmuir模型模擬膨潤土對單組份Pb（II）的等溫吸附過程，而單組份Cu（II）和Ni（II）的試驗結果更符合Freundlich模型。

3、膨潤土對單組份與三組份溶液中Pb（II）、Cu（II）、Ni（II）的吸附能力大小順序均為Pb（II）>Cu（II）>Ni（II）。

參考文獻：

[1]張金利.張林林.谷鑫.重金屬Pb（Ⅱ）在膨潤土上去除特性研究[J].巖土工程學報，2013（01）： p.117-123.

[2] Futalan C.M. et al.， Comparative and competitive adsorption of copper， lead， and nickel using chitosan immobilized on bentonite[J]. Carbohydrate Polymers， 2011， 83（2）： p. 528-536.

[3] Vijayaraghavan. K. et al.， Application of Sargassum biomass to remove heavy metal ions from synthetic multi-metal solutions and urban storm water runoff[J]. J Hazard Mater， 2009， 164（2-3）： p. 1019-23.endprint