物理化學(xué)吸附實(shí)驗(yàn)條件的探究*

呂喜風(fēng)，汪河斌，田維亮，陳俊毅，李 仲，梁鵬舉

(塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

六價(jià)鉻離子具有強(qiáng)氧化性和強(qiáng)致癌性[1]，如何除去Cr(Ⅵ)就顯得尤為重要。吸附法是一種高效、簡(jiǎn)便的去除重金屬的方法[2]。學(xué)生從物理化學(xué)表面吸附一章得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)利用新疆蛭石制備吸附劑完成對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附研究。蛭石具有較大的比表面積和較高的離子交換容量[3-4]，但其自身的特性導(dǎo)致吸附重金屬離子后無(wú)法用傳統(tǒng)的分離方法將其快速分離[5]。故利用磁性Fe3O4的特性制作Fe3O4-蛭石復(fù)合材料便于后期處理[6]。

實(shí)驗(yàn)用七水硫酸亞鐵和氯化鐵制備Fe3O4-蛭石復(fù)合材料，并用四氧化三鐵-蛭石復(fù)合材料作為吸附劑，研究不同的反應(yīng)溫度、pH值、復(fù)合材料添加量、反應(yīng)時(shí)間時(shí)Cr(Ⅵ)的吸附性能。通過(guò)吸附實(shí)驗(yàn)，學(xué)生加深了對(duì)吸附劑概念及吸附過(guò)程的理解。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器及藥品

藥品：FeSO4·7H2O、HNO3、FeCl3、K2CrO4、NaOH，以上試劑均為分析純。

儀器設(shè)備：UV2400紫外分光光度計(jì)，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；CFL535R低速大容量冷凍離心機(jī)，湖南湘立科學(xué)儀器有限公司；JA1003N電子天平，上海菁海儀器有限公司。

1.2 Fe3O4-蛭石復(fù)合材料制備

分別稱(chēng)取1.89 g FeCl3和2.76 g的FeSO4·7H2O，溶解后定容于100 mL容量瓶，得到濃度為0.04 mol·L-1的Fe3+溶液和0.02 mol·L-1的Fe2+溶液。將兩種溶液等體積混合均勻，按固液比為1:100的比例將膨脹蛭石與所配制的混合溶液一并加入到燒杯中攪拌均勻。將燒杯放入70 ℃溫度恒溫水浴攪拌箱，以500 r·min-1的攪拌速度反應(yīng)20 min，過(guò)濾得固體物質(zhì)。用蒸餾水將所得固體材料洗滌至中性，然后再將復(fù)合材料置于烘箱內(nèi)2 h，研磨，過(guò)100目篩待用。

1.3 吸附率計(jì)算方法

本實(shí)驗(yàn)初始Cr(Ⅵ)濃度為100 mg·L-1，吸附后將溶液離心，測(cè)量上清液的吸光度，由繪制的Cr(Ⅵ)吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算吸附后Cr(Ⅵ)濃度。

(1)

式中：C0——初始Cr(Ⅵ)濃度，mg·L-1

C1——?dú)堄郈r(Ⅵ)濃度，mg·L-1

Qv——吸附率，%

1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用Cr(Ⅵ)溶液濃度為100 mg·L-1，調(diào)節(jié)Cr(Ⅵ)溶液的pH值(用HNO3和NaOH溶液)，采用控制變量法，分別在不同投加量、溫度、pH、時(shí)間下做吸附實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟：量取上述配制的Cr(Ⅵ)溶液100 mL置于燒杯中，按實(shí)驗(yàn)具體所需稱(chēng)取制得的烘干研磨后的Fe3O4-蛭石復(fù)合材料一定量加入燒杯中，在恒溫水浴攪拌器中以1000 r·min-1反應(yīng)2 h，再在高速離心機(jī)中以5000 r·min-1的速度離心5 min后分離上清液測(cè)量吸光度。利用不同濃度Cr(Ⅵ)的吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算Cr(Ⅵ)吸附量。

1.5 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在最佳實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行膨脹蛭石與復(fù)合材料吸附的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別取Cr(Ⅵ)溶液100 mL置于燒杯中，以吸附劑添加量為變量，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下比較兩種材料在相同的吸附條件下對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度的Cr(Ⅵ)吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

分別配制濃度為5、7、9、11、13、15 mg·L-1的Cr(Ⅵ)溶液，測(cè)量他們的吸光度，并對(duì)所得數(shù)據(jù)做圖得到Cr(Ⅵ)的吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果如圖1所示。

圖1 Cr(Ⅵ)不同濃度的吸光度Fig.1 Absorbance of different concentrations of Cr(VI)

2.2 Fe3O4-蛭石復(fù)合材料的添加量實(shí)驗(yàn)

當(dāng)pH為6，吸附2 h，吸附溫度為30 ℃，考察Fe3O4-蛭石復(fù)合材料投加量對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附效果的影響。隨著吸附劑投加量的增大，Cr(Ⅵ)的吸附量迅速增大，當(dāng)投加量為0.2 g時(shí)，去除率達(dá)到97.5%。Cr(Ⅵ)的吸附效率最大且達(dá)到吸附平衡。原因?yàn)殡S著投放量的增大，表面可吸附點(diǎn)位隨之增多，Cr(Ⅵ)與復(fù)合材料表面發(fā)生有效碰撞的幾率變大，故使得金屬離子更易與吸附位點(diǎn)結(jié)合，從而使得吸附效果大大提高。

圖2 投加量對(duì)吸附Cr(Ⅵ)的影響Fig.2 Effect of dosage on adsorption of Cr(VI)

2.3 溫度對(duì)Fe3O4-蛭石復(fù)合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響

當(dāng)pH為6，吸附2 h，F(xiàn)e3O4-蛭石復(fù)合材料投加量為0.2 g，考察吸附溫度對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附效果的影響。由圖3可知當(dāng)溫度偏低時(shí)吸附效率隨溫度的增大而增大，溫度為30 ℃時(shí)，F(xiàn)e3O4-蛭石復(fù)合材料的吸附率達(dá)到97.2%。溫度繼續(xù)升高，吸附量變化不大，吸附達(dá)到平衡。這是因?yàn)樵诤线m的溫度區(qū)間內(nèi)，溫度越高，溶液中的Cr(Ⅵ)和Fe3O4-蛭石復(fù)合材料顆粒的熱運(yùn)動(dòng)加劇，活性位點(diǎn)增多，同時(shí)提高了Cr(Ⅵ)碰撞到活性位點(diǎn)的機(jī)會(huì)，增大了吸附效率。

圖3 溫度對(duì)Fe3O4-蛭石復(fù)合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響Fig.3 Effect of temperature on adsorption of Cr(VI) on Fe3O4- vermiculite composites

2.4 pH值對(duì)Fe3O4-蛭石復(fù)合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響

當(dāng)Fe3O4-蛭石復(fù)合材料投加量為0.2 g，吸附2 h，吸附溫度為30 ℃，考察PH對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附效果的影響。由圖4可知，pH值會(huì)通過(guò)影響溶液中的H+濃度和吸附劑表面電荷從而影響吸附效果。當(dāng)pH值<4時(shí)，Cr(Ⅵ)的吸附效果偏低，這是由于在吸附過(guò)程中溶液中高濃度的H+與Cr(Ⅵ)存在競(jìng)爭(zhēng)和排斥的作用，導(dǎo)致活性位點(diǎn)部分被H+占據(jù)。pH值的升高，H+濃度降低，去質(zhì)子化作用明顯，Cr(Ⅵ)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)增加。當(dāng)pH為6時(shí)，Cr(Ⅵ)吸附率最大為98%。堿性過(guò)大時(shí)會(huì)破壞膨脹蛭石的晶格結(jié)構(gòu)，故復(fù)合材料吸附Cr(Ⅵ)時(shí)的pH值不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小。

圖4 pH值對(duì)Fe3O4-蛭石復(fù)合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響Fig.4 Effect of pH on adsorption of Cr(VI) on Fe3O4-valve composite

2.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)Fe3O4-蛭石復(fù)合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響

當(dāng)Fe3O4-蛭石復(fù)合材料投加量為0.2 g，pH為6，吸附溫度為30 ℃，考察吸附時(shí)間對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附效果的影響。由圖5可知該復(fù)合材料對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附能力較強(qiáng)，2 h時(shí)即可達(dá)到吸附平衡。這是因?yàn)槲絼偘l(fā)生時(shí)，吸附劑表面的活性吸附位點(diǎn)較多，溶液中Cr(Ⅵ)濃度高，發(fā)生有效碰撞的機(jī)會(huì)大，溶液中的Cr(Ⅵ)迅速被吸附，故Fe3O4-蛭石復(fù)合材料在短時(shí)間內(nèi)即可以取得很好的吸附效果，這為快速去除重金屬離子提供了一個(gè)良好的思路。

圖5 時(shí)間對(duì)Fe3O4-蛭石復(fù)合材料吸附Cr(Ⅵ)的影響Fig.5 Effect of time on adsorption of Cr(VI) on Fe3O4- vermiculite composites

2.6 蛭石和Fe3O4-蛭石復(fù)合材料吸附性能對(duì)比

由圖6可知，在相同的吸附條件下復(fù)合材料的吸附性能明顯優(yōu)于膨脹蛭石，這是因?yàn)镕e3O4其本身具備很強(qiáng)的重金屬離子吸附能力，將其負(fù)載在膨脹蛭石表面時(shí)增大了吸附表面積和活性吸附位點(diǎn)，復(fù)合材料顆粒與Cr(Ⅵ)發(fā)生有效碰撞的機(jī)會(huì)增多，吸附效果增大，而且磁性Fe3O4使得吸附劑發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的能力增加，可使表面絡(luò)合物吸附更多的重金屬離子，與溶液中的陽(yáng)離子發(fā)生更多的離子交換形成同晶型效應(yīng)電荷吸附，故Fe3O4-蛭石復(fù)合材料對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能大大提高。Fe3O4具有良好的磁性有助于吸附材料從溶液中分離，從而脫附回收。

圖6 蛭石和Fe3O4-蛭石復(fù)合材料對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附曲線Fig.6 Adsorption curve of Cr(VI) on vermiculite and Fe3O4-vermiculite composites

3 結(jié) 論

蛭石具有較強(qiáng)的吸附性能，通過(guò)離子交換和物理吸附達(dá)到吸附效果。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)在膨脹蛭石表面負(fù)載Fe3O4增大了吸附表面積和陽(yáng)離子濃度，增加了復(fù)合材料吸附Cr(Ⅵ)的能力，實(shí)驗(yàn)效果良好。學(xué)生通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究了物理化學(xué)教材中吸附條件對(duì)吸附過(guò)程的影響，加深了對(duì)課本知識(shí)的理解。