針鐵礦對水溶液中Cd2+、Pb2+的吸附影響

彭琪貴，施澤明,2，王新宇,2

(1 成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059；2 地學核技術四川省重點實驗室，四川 成都 610059)

水體是人類生存必不可少的資源，其安全直接或間接影響著人類的健康和生活環境，因此水環境的安全問題成為了關注的重點[1]。隨著工業、礦業、城市現代化的發展，導致水域重金屬污染逐漸加重。調查顯示，我國七大水系均遭受到一定程度的重金屬污染[2]。近年來，有關Cd、Pb污染報道逐漸增多，比如河北、廣西的部分因工礦廢水排放導致農田土壤和稻米受Cd污染嚴重[3-4]；貴州冶煉區廢水流經的耕地土壤受Cd和Pb污染嚴重[5]；江蘇省的工業廢水造成昌湖重金屬污染[6]。

重金屬可通過農田灌溉及土壤林濾，土壤和水體相互影響，造成土壤及水體污染，間接或直接影響著人類健康和生活環境[7-9]。當Pb含量超標時，動植物生長受到抑制或者死亡[10]；人體中Pb超標會導致腎疾病及兒童癡呆；Cd超標會導致人體泌尿系統的功能變化。因此，開展有效的含Cd、Pb的污水治理十分有必要。

水體重金屬污染治理有化學方法、物理方法、生物方法[11-12]。吸附法是最常見的物理方法，吸附劑的不同，其吸附效果不同，比如活性炭，其吸附效果強，但其成本昂貴。目前采用成本較低的礦物材料，如粘土、葉蠟石等，對重金屬離子具有較好的吸附性能。其中針鐵礦是自然環境中最常見的氫氧化合物之一，是一種有效的吸附材料，能吸附水體中各重金屬污染物，達到凈化水質的目的。因此本文選擇針鐵礦對水體中Cd2+和Pb2+進行吸附，分析其吸附特性。研究針鐵礦對Cd2+、Pb2+的吸附特性，以期為針鐵礦對Cd2+、Pb2+的吸附行為提供科學依據。

1 實 驗

1.1 材 料

針鐵礦的制備:參照文獻[13]方法合成：配制1 mol/L的Fe(NO3)3溶液200 mL；配制5 mol/L的KOH溶液400 mL；將以上定容好的1 mol/L的Fe(NO3)3溶液200 mL全部倒入2 L聚乙烯塑料瓶中，緊接著迅速倒入360 mL剛配制好的5 mol/L的KOH溶液，同時充分攪拌，此刻肉眼可觀察到大量的紅棕色的二線水鐵礦沉淀產生。立即用去離子超純水稀釋該混懸液至4 L體積，以0.01 mol/L的NaOH調節溶液pH為12，70 ℃的恒溫烘箱內陳化60 h。4000 r/min離心15 min后的沉淀物用超純水反復清洗至近中性，烘干，磨細，制成針鐵礦樣品。

1.2 實驗方法

1.2.1 等溫吸附實驗

Cd2+、Pb2+的單一離子溶液與Cd2+和Pb2+混合溶液，各濃度相同。50 mL離心管中，加入不同濃度的Cd(NO)2、Pb(NO3)2溶液，使Cd2+、Pb2+濃度各為10、20、40、80、120、160、180 mg/L；再調節離子強度為0.01 mol/L(加入1 mL 0.4 mol/L 的NaNO3作為支持介質)，離心管中溶液總體積為40 mL，針鐵礦為1.25 g/L。恒溫振蕩24 h(頻率為200 r/min、溫度為25 ℃)。用0.45 μm水系濾膜過濾，測定溶液中Cd2+、Pb2+的濃度。

1.2.2 不同pH下的影響

0.01 mol/L的NaOH或HNO3調節溶液pH，pH分別為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0，溶液Cd2+、Pb2+濃度為80 mg/L；其余步驟同上。

1.2.3 不同離子強度下的影響

0.01 mol/L的NaOH或HNO3調節溶液pH=6，0.01 mol/L的NaNO3調節離子強度為0.01、0.02、0.05、0.10、0.20 mol/L。溶液Cd2+、Pb2+濃度為80 mg/L；其余步驟同上。

1.3 數據分析

本文利用Origin8.6軟件對針鐵礦吸附Cd2+、Pb2+的等溫吸附結果進行Langmuir和Freundlich模型擬合，公式如下:

Langmuir模型：Qe=kQeCE/(1+QmCe)

式中：Ce為吸附平衡時Cd2+、Pb2+的濃度，mg/L；Qm為單分子層最大吸附量，mg/g；Qe為吸附量，mg/g；k為吸附特征常數，L/mg；n為非線性指數；Kf為吸附能力參數，(mg/g)/(mg/L)n。

2 結果與討論

2.1 溶液初始濃度

如圖1所示，相同條件下的Cd2+、Pb2+單一離字溶液中，針鐵礦對Pb2+的吸附量大于Cd2+的吸附量；隨著Cd2+、Pb2+濃度增加，針鐵礦吸附能力逐漸增大，最后趨于平衡，其吸附量分別為45.98～47.55、63.69～65.64 mg/g。相同條件下Cd2+、Pb2+混合溶液中，針鐵礦對Pb2+的吸附量大于Cd2+的吸附量；當Cd2+、Pb2+的濃度為40 mg/L時，對Pb2+的吸附量為Cd2+的5倍，其它濃度的吸附量為2倍左右。可推測，針鐵礦對的Pb2+的吸附強于Cd2+。混合溶液中，針鐵礦對Cd2+的吸附量低于針鐵礦對單一Cd2+離子溶液中的吸附量，推測，在混合溶液中，針鐵礦對Cd2+的吸附受到Pb2+的抑制。

等溫吸附模型擬合結果見表1。

圖1 針鐵礦對Cd2+、Pb2+的等溫吸附

表1 針鐵礦吸附Cd2+和Pb2+的Langmuir和Freundlich方程相關參數

Langmuir模型為單分子層吸附模型，Cd2+、Pb2+的單一離子溶液中，單層吸附量分別為0.01356、1.11839 mg/g；Cd2+和Pb2+混合溶液中，單層吸附量分別為0.00566、0.01591 mg/g。在Freundlich模型中，當0.1

竹炭和蒙脫石可用Freundlich模型擬合它們對Cd2+的吸附[15-16]；伊利石、海泡石可用Langmuir模型擬合它們對Cd2+的吸附[16]。前人研究發現，Cd2+濃度為0～15 mg/L之間時，可用Freundlich模型擬合對Cd2+的吸附[17]；Cd2+濃度為10～100 mg/L之間時，針鐵礦吸附Cd2+符合Langmuir吸附模型[18]。不同的Cd2+初始濃度，其最符合的吸附模型也不同；推測隨著Cd2+初始濃度的增加，最適的吸附模型由Freundlich轉換成Langmuir。本文Cd2+濃度為10～200 mg/L之間，針鐵礦吸附Cd2+符合Langmuir等溫吸附模型，與鄭驍等[18]的研究結果相似。

鎂-鈣羥基磷灰石對Pb2+的吸附符合Langmuir吸附模型[19]；低濃度Pb2+更易被黏土吸附，符合Langmuir吸附模型[20]；Pb2+濃度為0～50 mg/L和0～414.4 mg/L之間時，針鐵礦吸附Pb2+符合Langmuir和Freundlich吸附模型[17,21]。本文Pb2+濃度為10～200 mg/L之間，針鐵礦吸附Pb2+用Langmuir和Frenundlich均有較好的擬合效果，與肖萍等[17]、袁林等[21]的研究結果相似。

2.2 初始pH

pH對針鐵礦吸附性能的影響見圖2，橫坐標為溶液pH，縱坐標為吸附率。單一離子溶液中，整體上針鐵礦對Pb2+的吸附率比Cd2+的高，針鐵礦對Cd2+和Pb2+的吸附率整體上為上升趨勢，當pH>7時，逐漸趨于平衡。在Cd2+的單一溶液中，pH=7時，其吸附率為90.35%，吸附量為57.82 mg/g；pH=8時，吸附率為93.35%，吸附量為59.74 mg/g。在Pb2+的單一溶液中，pH=7時，其吸附率為98.15%，吸附量為62.82 mg/g；pH=8時，吸附率為98.23%，吸附量為62.86 mg/g。針鐵礦表面存在含氧官能團，高H+濃度下，H+與含氧官能團結合，導致Cd2+、Pb2+無足夠的吸附點，導致吸附力下降[22]；隨著溶液pH的升高，H+濃度降低，競爭減小，可吸附更多的Cd2+。因此，控制吸附環境pH在6.0～7.5之間，有利于Cd2+、Pb2+的吸附。

圖2 pH對針鐵礦吸附Cd2+、Pb2+的影響

2.3 離子強度

離子強度對針鐵礦吸附性能的影響見圖3，橫坐標為離子強度，縱坐標為吸附量。相同的離子強度，針鐵礦對Pb2+的吸附量比Cd2+的高；隨著離子強度的上升，對Pb2+的吸附量先降低后上升，對Cd2+的吸附量先下降后上升，但上升的趨勢并不明顯。離子強度為0.01 mol/L時，吸附率分別為53.09%、74.16%，吸附量分別為33.98、47.46 mg/g；離子強度為0.10 mol/L時，Cd2+的吸附率最低，為12.43%，吸附量為8.08 mg/g；離子強度為0.02 mol/L時，Pb2+的吸附率最低，為58.81%，吸附量為37.63 mg/g；當離子強度為0.20 mol/L時，吸附率分別為16.42%、73.13%，吸附量分別為10.51、46.80 mg/g。

圖3 離子強度對針鐵礦吸附Cd2+、Pb2+的影響

離子強度的高低將影響針鐵礦對Cd2+、Pb2+的吸附，隨著離子濃度的上升，吸附量先下降而后上升。鄭驍等[20]研究表示，隨著Ca2+、Mg2+離子濃度的增高，針鐵礦的吸附能力先下降后上升，與本文結果大致相同。推測陽離子與針鐵礦含氧官能團結合，導致Cd2+無足夠的吸附點，抑制其吸附；當離子強度達到一定的時候，抑制力下降，吸附力逐漸增強。從不同離子強度下針鐵礦對Cd2+、Pb2+的吸附曲線推測，當離子強度達到一定的時候，對針鐵礦吸附Cd2+、Pb2+的影響達到最小。

3 結 論

(1)等溫吸附結果表示，針鐵礦吸附Cd2+、Pb2+吸附量分別為45.98～47.55、63.69～65.64 mg/g；針鐵礦吸附Cd2+符合Langmuir模型；針鐵礦吸附Pb2+用Langmuir和Frenundlich均有較好的擬合效果。

(2)Cd2+、Pb2+初始濃度為80 mg/L，離子強度為0.01 mol/L，針鐵礦為1.25 g/L，在25 ℃條件下，隨pH升高，針鐵礦吸附Cd2+、Pb2+效果增加，當pH>7，吸附率達到90.00%以上，可作為吸附材料吸附廢水中Cd2+、Pb2+，從而凈化水質。

(3)隨著NaNO3濃度升高，針鐵礦吸附Cd2+、Pb2+的吸附先下降后上升，但對Cd2+的吸附量上升趨勢并不明顯。

(4)相同條件的單一離子溶液中，針鐵礦對Pb2+的吸附量較Cd2+的吸附量大；混合溶液中，針鐵礦對Cd2+的吸附受到的Pb2+抑制。