改性內蒙古產蒙脫石對銅的吸附特征

趙靚　徐萌琦　王如意　薩日娜

摘 要：本實驗選取內蒙古赤峰市蒙脫石進行改性，研究了其對Cu2+的吸附特性，旨在修復重金屬廢水對水土的污染并為蒙脫石等粘土礦物對重金屬污染的實際應用提供了理論依據。本實驗系統地研究了內蒙改性蒙脫石處理含大量Cu2+廢水的吸附條件，以及其對含有不同濃度Cu2+廢水的吸附特性。

關鍵詞：蒙脫石，改性，吸附，動力學，熱力學

1前言

蒙脫石是一種2：1型的層狀硅酸鹽礦物，其結構具有典型的T-O-T結構單元層：即兩個硅氧四面體片中間夾一鋁氧八面體片，兩者之間借助于共用活性氧相聯結。[1]一般為土狀或塊狀，具有良好的吸附特性。

從環境污染角度，重金屬被定義為Hg、Cd、Pb、Cr及類金屬As等具有顯著生物毒性的元素[2]。經過不斷的遷移和轉化，可跨環境邊界進入大氣、水體和土壤中，在環境中很難降解，并且容易蓄積且長期存在[3]。我國近幾年頻頻發生重金屬離子污染事件，例如，自2005年起，遼寧南部某村東南方向2座礦渣堆重金屬污染該村土壤環境[4]；2012年，廣西龍江鎘泄露污染當地水源，使居民面臨引用水危機[5]。

我國蒙脫石產量豐富，且改性方法多，因此，使用改性蒙脫石處理由重金屬離子造成的污染具有廣泛的應用前景。

2實驗材料和實驗方法

2.1 實驗材料和試劑

2.1.1 實驗試劑

2.1.2 蒙脫石

本實驗所用蒙脫石原土產自內蒙古自治區赤峰市，化學成分為SiO2：69.87%，MgO：26.75%，H2O：3.38%。

2.1.3 重金屬廢水

分別稱取一定量的Cu（NO3）2配置成濃度分別為0 mg/L，20 mg/L，40 mg/L，80 mg/L，160 mg/L，200 mg/L的重金屬離子溶液。

2.2實驗儀器

2.3 實驗方法

2.3.1 蒙脫石改性

首先，對實驗所用的蒙脫石樣本進行鈉化改性，采用懸浮液法，然后用CTMAB和TEPA對其依次進行有機改性和絡合改性。具體方法如下：

使用體積分數為5%的NaOH溶液將提純后的蒙脫石pH調節至5.6，然后進行水浴恒溫加熱并攪拌1h，離心干燥后得到鈉基蒙脫石。之后每取鈉基蒙脫石20g即與0.844g[6]十六烷基三甲基溴化銨（CTMAB）混合后加入200mL水，水浴恒溫加熱并攪拌1.5h，再加入200mL四乙烯五胺（TEPA）溶液，再次水浴恒溫加熱并攪拌1.5h，離心后倒出上清液，洗滌沉淀直至用AgNO3至無Br-后，干燥研磨并過100目篩，即得到復合改性蒙脫石。

2.3.2 Cu2+標準曲線

熱力學實驗標準曲線：首先，配制濃度梯度分別為0.5 mg/L、1.0 mg/L、1.5 mg/L、2.5 mg/L、3 mg/L、5 mg/L的Cu2+標準溶液；其次，用火焰原子吸收分光光度計測量上述標準溶液，以便根據計算機自動繪制的Cu2+標準曲線測量復合改性蒙脫石吸附后的Cu2+殘留濃度。

動力學實驗標準曲線：用0.1 mol/L的Cu2+選擇電極標準溶液配置出濃度分別為3.2 mg/L、32 mg/L和320 mg/L的Cu2+溶液，并繪制Cu2+選擇電極標準曲線。

2.3.3 改性蒙脫石的吸附動力學和熱力學實驗

動力學實驗方案：稱取2份0.4g復合改性后的蒙脫石置于燒杯中，做好標記，用移液管分別移取50 ml 200 mg/L Cu2+重金屬溶液至燒杯內，將燒杯至于置于磁力攪拌器上，室溫下反應，在0.5 min、4 min、7 min、10 min、13 min、16 min、19 min、22 min時用離子選擇電極測量溶液電位，再根據Cu2+選擇電極標準曲線計算溶液濃度以及不同時間內復合改性蒙脫石吸附Cu2+的吸附量，以反應時間t （min）為橫坐標，單位吸附量Qe （mg/g）為縱坐標，繪制Cu2+吸附動力學曲線。

吸附等溫線實驗方案：稱取10份0.2g復合改性蒙脫石于離心管中，分別加入25mL不同濃度梯度的Cu（NO3）2溶液，在室溫下調節混合溶液為pH為5.6，吸附時間為60min，測定不同溫度下的Cu2+的平衡吸附量和吸附平衡濃度，根據公式計算復合改性蒙脫石的單位吸附量，并繪制等溫吸附曲線。

熱力學實驗方案：按照實驗研究結果，在吸附實驗中，以復合改性后的蒙脫石吸附廢水中的Cu2+，研究在不同溫度下對吸附分配比D（吸附量與重金屬離子的殘留濃度比）的影響，計算吸附熱力學參數。根據公式，用吸附等溫式測量所得數據，分別計算出溫度為5℃、15℃、25℃、35℃即溫度分別是278K、288K、298K、308K時，Cu2+初始濃度為200mg/L時的吸附分配系數Kc，再根據公式，計算出△G，通過擬合方程可以得出斜率和截距，從而得出△H和△S。

3改性內蒙蒙脫石吸附Cu2+的機制探討

3.1 改性內蒙蒙脫石吸附重金屬離子的等溫吸附曲線

本實驗的吸附過程采用Langmuir方程和Freundlich方程來進行綜合描述；Freundlich等溫吸附方程Qe=KCe1/n可變形式

實驗結果顯示，5℃和15℃時，改性蒙脫石吸附量仍較小，且溫度對于改性蒙脫石吸附Cu2+的過程具有促進作用，如圖，溫度在35℃時，改性蒙脫石達到最大單位吸附量19.678mg/g，但與25℃時的最大吸附量19.091mg/g相差甚微，因此，考慮到能源及成本因素，在室溫下用改性蒙脫石處理主要含Cu2+的重金屬離子廢水或在不過多增加成本和浪費能源的前提下適當提高反應溫度即可。

3.2 改性內蒙蒙脫石吸附Cu2+的動力學研究

以吸附反應時間t （min）為橫坐標，單位吸附量Qe （mg/g）為縱坐標，繪制吸附動力學曲線圖，如圖3.3

在吸附初始階段，由于Cu2+的濃度較高，在吸附過程的前5分鐘內，單位吸附量隨吸附時間的增加直線上升，重金屬溶液中的Cu2+的吸附率可達到80%，此后，吸附速率隨著吸附時間的增加而減慢，直到吸附過程達到動態平衡。綜上，結合等溫吸附曲線擬合結果可知吸附過程主要是界面吸附，即Cu2+從溶液中擴散附著于復合改性后蒙脫石分子的外表面，反應速率比較快，而向蒙脫石分子內部遷移的速率較慢。

3.3 改性內蒙蒙脫石吸附Cu2+的熱力學研究

根據實驗研究結果，在吸附實驗中，以復合改性后的內蒙古赤峰蒙脫石吸附廢水中的Cu2+，研究在不同溫度下對吸附分配比D（吸附量與重金屬離子的殘留濃度比）的影響，計算吸附熱力學參數，擬合方程為以下三式：

由表3.3可知，鈉化改性和有機-絡合改性后的蒙脫石對Cu2+ 的吸附反應過程中△H>0，說明該反應是吸熱反應，溫度的升高有利于反應的進行，這符合根據等溫吸附曲線所得出的結論；△S>0，某種程度上說明該吸附反應不可逆，即不易發生解吸；△G<0說明了復合改性蒙脫石吸附Cu2+ 的反應是自發的過程，在實驗條件下，說明升高溫度對反應有利，與前面所述結論一致，△G在-20到0KJ/mol之間說明改性后的內蒙蒙脫石吸附Cu2+主要依靠物理吸附，符合此前在動力學研究中所得出的結論。

4.結論

通過對改性后的內蒙古自治區赤峰市的蒙脫石制備及對其動力學及熱力學吸附特征的研究，得到如下的基本結論：

（1）從復合改性后的內蒙蒙脫石的不同溫度等溫吸附曲線來看，其單位吸附量隨溫度升高而增加，鑒于成本和節能因素，在室溫下用改性后的內蒙蒙脫石處理主要含Cu2+的重金屬離子廢水或在不過多增加成本和浪費能源的前提下適當提高反應溫度即可。

（2）根據Langmuir和Freundlich 2種等溫吸附曲線模型擬合和動力學實驗結果可知，改性后的內蒙蒙脫石吸附Cu2+的反應相對容易進行，主要依靠其發生于界面的物理吸附作用，初始吸附速率較快，隨后逐漸趨于穩定。因此，在實際應用中，考慮到工業廢水處理效率的因素，可將該種改性蒙脫石處理主要含Cu2+的工業廢水的反應時間控制在10分鐘之內。

（3）從改性內蒙蒙脫石吸附Cu2+的熱力學實驗結果可知，該種蒙脫石吸附廢水中Cu2+的反應是不可逆的自發吸熱反應，即不易解吸，具有實際應用價值。

參考文獻：

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[3]余光輝， 袁開國， 李振國， 朱佳文. 我國重金屬污染事件的管理對策研究[J]. 工業安全與環保， 2013， 39（8）： 35-37.

[4]張蕾， 李洋， 易佳瑩. 遼南某村土壤重金屬污染評價與來源分析[J]. 沈陽師范大學學報（自然科學版）， 2018， 36（2）： 135-139.

[5]王艷. 我國重金屬污染事件頻發若干問題的再思考——以廣西龍江鎘污染事件為例[J]. 鄭州輕工業學院學報（社會科學版）， 2014， 15（6）： 36-41.

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[9]孫洪良. 復合改性膨潤土對水中有機物和重金屬的協同吸附研究[D]. 浙江大學： 環境與資源學院，2010.

作者簡介：

趙靚（1995.10-），女，漢族，黑龍江齊齊哈爾人，大四，本科生，主要研究方向為環境地球化學

徐萌琦（1995.8-）女，漢族，內蒙古錫林郭勒盟蘇尼特右旗人，大四，本科生，主要研究方向為環境地球化學

王如意（1996.4-），女，漢族，內蒙古巴彥淖爾市臨河人，大四，本科生，主要研究方向為環境地球化學

薩日娜（1996.7-），女，蒙古族，內蒙古呼倫貝爾市鄂溫克旗人，大四，本科生，主要研究方向為環境地球化學

基金項目：內蒙古大學校級大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號201617327