玻璃輕石吸附銅離子的研究

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(1.南京林業(yè)大學(xué)淮安校區(qū)，江蘇淮安，223003；2.蘭州大學(xué)淮安高新技術(shù)研究院，江蘇淮安，223003)

玻璃是人們?nèi)粘Ｉ钪邢M(fèi)量巨大的物品，使用過的廢玻璃，由于沒有得到有效的回收和利用，大多成為充斥城市垃圾場(chǎng)的污染物，既破壞環(huán)境又浪費(fèi)資源。將各種廢玻璃破碎后,通過添加不同的助劑，混合攪拌、高溫焙燒，冷后形成一種多孔、輕質(zhì)，具有多種優(yōu)越功能和廣泛用途的環(huán)保無機(jī)材料——玻璃輕石。玻璃輕石是一種人工合成的硅酸鹽材料，玻璃輕石為無機(jī)氧化混合物，主要的化學(xué)成份為無機(jī)二氧化硅[1]。近年來，玻璃輕石在園藝及城市綠化中工程中得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也通過建立生態(tài)浮島用于生活、工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等污水的處理[2]。在漁業(yè)養(yǎng)殖業(yè)中，在水體加入大量硫酸銅可抑制綠藻的生成和減少綠藻的發(fā)生，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體中積累了一定量銅離子[3]。銅雖然是人體必需的基本礦物質(zhì)之一，但同時(shí)也是一種有毒重金屬，如果水體中過量Cu2+進(jìn)入到我們食物鏈，將對(duì)人類的健康造成嚴(yán)重危害[4]。因此，有必要研究從水中去除銅離子, 已有文獻(xiàn)報(bào)道了許多新的方法被用來從水溶液中除去Cu2+。例如：離子交換、溶劑萃取、化學(xué)沉淀、吸附等等[5]。吸附法因其毒性低、成本低而備受關(guān)注。有許多不同的吸附劑，如：凹凸棒土[6-7]、硅藻土[8]、蒙脫土[9]等吸附銅離子，但大部分吸附劑的吸附容量并不是很高。因此，尋找高吸附容量的吸附劑顯得尤為重要。本文旨在研究玻璃輕石對(duì)水體中銅離子的吸附行為。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

CuSO4·5H2O(分析純)、濃硫酸(分析純)、十二烷基硫酸鈉(SLS, 分析純)、銅試劑(二乙基二硫代氨基甲酸鈉)(分析純)，分析純?cè)噭┚?gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；玻璃輕石(200目，江蘇晶瑞特有限公司生產(chǎn))。

1.2 儀器

721型可見分光光度計(jì)(上海佑科儀表有限公司)；PXS-450精密離子計(jì)(上海康儀儀器)；TDZ4-WS臺(tái)式低速離心機(jī)(湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司)；85-2型恒溫磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)；電子分析天平(上海菁海儀器有限公司)。

1.3 除銅實(shí)驗(yàn)

在200mL燒杯中取含銅水樣50 mL, 用少量的0.1 mol/L H2SO4或0.10 mol/L 的NaOH溶液調(diào)節(jié)到一定的pH值后加入一定量的玻璃輕石, 在恒溫條件攪拌一定的時(shí)間后，將溶液倒入離心管中，以2500 r/min離心5 min后，取上層清液。測(cè)定溶液中Cu2+的濃度，于離心機(jī)中離心5分鐘后取上層的清液25 mL, 用銅試劑顯色后測(cè)吸光度。Cu2+的吸附率(η)根據(jù)以下的公式(1)進(jìn)行計(jì)算, 而Cu2+的吸附容量(qe)根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

其中：Co指Cu2+的起始濃度(mg/L), Ce指吸附后水相的濃度(mg/L), V 溶液的體積(L),m 為玻璃輕石的重量(g)。

1.4 分析方法

配置濃度為：0、0.4、1、1.6、2.0、2.4 mg/L的銅標(biāo)準(zhǔn)溶液, 分別移取25 mL待測(cè)含銅溶液于50 mL 容量瓶中, 依次加入1.0 mL 0.2 %二乙氨基二硫代甲酸鈉溶液、5.0 mL 0.25 mol/L 十二烷基硫酸鈉溶液, 用0.1mol/L NaOH 溶液調(diào)至pH值= 8 ，以水稀釋至刻度，用721 型分光光度計(jì)在波長(zhǎng)442 nm處測(cè)定其吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，未知溶液的濃度通過標(biāo)準(zhǔn)曲線法進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸附時(shí)間對(duì)Cu2+吸附的影響

表1 吸附時(shí)間對(duì)Cu2+吸附率的影響

分別移取10 mg/L 的Cu2+溶液50 mL于6 個(gè)200 mL 的燒杯中，調(diào)節(jié)到pH值=5后, 每個(gè)燒杯中加入0.1 g 玻璃輕石，然后在電磁攪拌上恒溫?cái)嚢?。分別在1、5、10、20、30、60 min取出燒杯，將溶液倒入離心管中，使用離心機(jī)以2500 r /min離心5 min后，取上層清液25 mL, 測(cè)定溶液中Cu2+的濃度，計(jì)算吸附率，結(jié)果見表1。結(jié)果表明：吸附平衡很快,在20 min 后吸附達(dá)到平衡，因此最佳吸附時(shí)間為20 min。

2.2 pH 值對(duì)Cu2 +吸附率的影響

在6個(gè)200 mL 的燒杯中分別移取pH值為：1、2、 3、4、5、6 的10 mg/L 的Cu2+溶液50 mL中，加入0.1 g 玻璃輕石后在電磁攪拌上恒溫?cái)嚢?0 min后。將溶液倒入離心管中，以2500 r/min離心5 min后，取上層清液。測(cè)定溶液中Cu2+的濃度，計(jì)算吸附率，結(jié)果見表2。結(jié)果表明：水樣中Cu2+的吸附率隨pH值的增大而增加，當(dāng)pH值小于2, 吸附率很低,原因是溶液中的大量H+會(huì)與Cu2+競(jìng)爭(zhēng)吸附導(dǎo)致；當(dāng)pH值大于4，繼續(xù)增加pH值，Cu2+吸附率變化不大，而高pH值吸附率高的原因可能是銅以Cu(OH)+形式存在，多價(jià)金屬離子的水解離子比未水解的金屬離子更容易被溶液中的固體粒子吸附[10]。因此選擇pH值為5，進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)。

表2 pH值對(duì)Cu2+吸附率的影響

2.3 玻璃輕石的用量對(duì)Cu2+吸附率的影響

在6個(gè)200 mL的燒杯中在分別移取濃度為10 mg/L 的Cu2+溶液各50 mL，調(diào)節(jié)pH值為5后，分別加入玻璃輕石 0.05 g、0.1 g 、0.3 g 、0.5 g 、1.0 g 、2.0 g，恒溫?cái)嚢?0 min后, 離心分離兩相，移取25 mL溶液顯色后測(cè)吸光度，并計(jì)算吸附率。從結(jié)果可以得出，玻璃輕石的質(zhì)量達(dá)到0.1 g 時(shí)Cu2+吸附率已經(jīng)能夠達(dá)到92.9%。當(dāng)輕石的量超過0.5 g 時(shí)，繼續(xù)增加輕石的量，吸附率變化不大。從經(jīng)濟(jì)的角度來考慮的話，玻璃輕石的最合適的使用量為2-10 g/L。

2.4 Cu2+的初始濃度對(duì)吸附率的影響

初始濃度分別為：10、15、20、25、30、40 mg/L 的50 mL的Cu2+溶液中加入0.1 g 玻璃輕石，用0.1 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH值為5，在電磁攪拌上恒溫?cái)嚢?0 min后，測(cè)吸光度。結(jié)果顯示：初始濃度從10 mg/L增加到20 mg/L，Cu2+的吸附率保持不變，隨著濃度的增加，Cu2+的吸附率略有下降。因此在實(shí)際處理廢水的時(shí)候，對(duì)于濃度過高的水樣，建議先進(jìn)行稀釋后再用玻璃輕石處理，效果更好。

表3 玻璃輕石的量對(duì)Cu2+吸附率的影響

表4 Cu2+的初始濃度對(duì)Cu2+吸附率的影響

2.5 玻璃輕石吸附Cu2+的等溫線

玻璃輕石吸附Cu2+的等溫線可根據(jù)Langmuir等溫方程(3) 和Freundlich等溫方程(4)采用最小二乘法進(jìn)行線形擬合。

(3)

logqe=logm+nlog

(4)

式中：qe為吸附容量，qm為飽和吸附容量，Ce為吸附后溶液的濃度，b 為吸附系數(shù)， m和n為吸附特征常數(shù)。

線性擬合的結(jié)果見表5，從表5中可以看出，用Freundlich 等溫線擬合的線性相關(guān)系數(shù)大于用Langmuir等溫線擬合的線性相關(guān)系數(shù)。進(jìn)一步說明用Freundlich 吸附等溫方程能更好地描述吸附過程, 這意味著Cu2+在玻璃輕石上的吸附傾向于均勻介質(zhì)表面的多層吸附。

3 結(jié)論

玻璃輕石對(duì)Cu2+有很強(qiáng)的吸附能力，吸附在20分鐘內(nèi)可快速建立平衡，溶液的pH值對(duì)吸附有很大的影響，高pH值有利于銅離子的吸附，對(duì)于酸度過高的水樣，需要中和處理后再進(jìn)行吸附。玻璃輕石的吸附能力隨水樣Cu2+初始濃度的增加而輕微有所下降。吸附過程能很好地用Freundlich方程進(jìn)行線性擬合。

表5 Langmuir等溫方程和Freundlich等溫方程線性擬合結(jié)果比較