硅藻土對水體常見重金屬離子的競爭吸附機制研究

鄭植 張子航 劉雄 隋吉堯 李岱霖

1. 研究背景

工、農(nóng)行業(yè)迅猛發(fā)展造成的重金屬水體污染問題日益得到廣泛關(guān)注。硅藻土作為一種儲備豐富的礦產(chǎn)資源，因開采成本低廉、處理工藝便捷，常用于重金屬污染水體處理。該項技術(shù)主要利用土壤顆粒物產(chǎn)生的吸附作用達到重金屬去除目的。當(dāng)水體中含有多種重金屬離子時，硅藻土對污染物可能產(chǎn)生選擇性競爭吸附。根據(jù)吸附方式不同，吸附過程可歸納為三種類型：表面吸附（物理吸附）、離子交換吸附（物理-化學(xué)吸附）、專屬吸附（配位吸附）。目前利用硅藻土處置污水主要以提高單位吸附量和吸附效率為目的。夏士朋等提出利用含碳酸鈣的硅藻土處理廢水中Cu2+、Cr3+、Pb2+、Zn2+ 四種重金屬離子的新方法，結(jié)果表明，碳酸鈣含量約為35%的硅藻土是處理含重金屬廢水的一種很好的吸附劑[1]。羅道成等對改性硅藻土對廢水中Pb2+、Cu2+、Zn2+吸附性能進行研究，指出改性硅藻土對實際電鍍廢水的吸附凈化效果較好[2]。郭曉芳等通過錳基改性硅藻土，在靜態(tài)條件下，研究了錳基改性硅藻土吸附重金屬離子Pb2+、Zn2+的性能及適宜條件[3]。葉力佳等對硅藻土吸附重金屬離子Cu2+進行了研究，結(jié)果表明：硅藻土獨特的結(jié)構(gòu)使其對水溶液中的Cu2+具有很好的吸附去除效果[4]。丁社光研究了硅藻土在不同pH值、溫度、吸附時間、鉛離子初始濃度、投加量等條件下對吸附鉛離子的影響[5]。國外的YAl-degs等用非改性硅藻土和MnO2改性土對Pb2+的吸附研究表明：硅藻土和MnO2改性土對去除鉛離子是有效的[6]。

由此可見，已有研究多圍繞吸附影響因素、優(yōu)化吸附條件展開。針對不同重金屬離子，考察不同吸附類型下的競爭吸附機制，暫未見相關(guān)報道。本項目選取常見的污染水體重金屬離子Cd2+、Cu2+、Zn2+為研究對象，探討表面吸附和離子交換吸附條件下的競爭吸附機制。本研究有助于深入了解吸附過程與機制，能夠為污染水體重金屬的選擇性治理和循環(huán)利用提供理論參考和線索。

2. 研究內(nèi)容與方法

2.1 研究內(nèi)容

本項目選取常見的污水重金屬離子Cd2+、Cu2+、Zn2+為研究對象，分別探討表面吸附和離子交換吸附條件下，三種離子在不同硅藻土投加量、吸附時間下的競爭吸附機制。

本實驗選取的主要儀器和藥品如表1所示：

2.2 研究方法

（1）表面吸附

分取兩種原土過篩，投至Cd2+、Cu2+、Zn2+混合溶液中（各離子溶度均0.2 mmol/L），放置振蕩吸附，對吸附液進行二次抽濾。利用ICP在默認實驗參數(shù)下測定抽濾液中各重金屬離子濃度。分別考察硅藻土振蕩吸附時間（5、10、15、20、25 min）和投加量（0.5、1、1.5、2、2.5 g）兩個單因素對去除率的影響。

（2）離子交換吸附

分別配制0.5 mol/L的鎂離子和鋇離子溶液。將原土分別浸泡于兩種離子溶液36小時，達到飽和吸附，離心、烘干。重復(fù)（1）中實驗內(nèi)容，考察離子交換條件下的競爭吸附機制。

3. 結(jié)果與討論

（1）表面吸附

硅藻土振蕩吸附時間、投加量的單因素實驗結(jié)果如圖1所示。綜合考慮去除率和時間原料成本，原土吸附的適宜時間選取20min，投加量為每50mL模擬廢水投加2g。

（2）離子交換吸附

將原土分別浸泡于鎂離子和鋇離子至吸附飽和，再與重金屬離子進行交換吸附，結(jié)果如圖2所示。鎂離子與鋇離子飽和土對三種重金屬的競爭吸附順序相同，去除率相近，并未表現(xiàn)出顯著差異;但與原土相比，Cd2+與Zn2+優(yōu)先吸附順序發(fā)生了改變。

4. 結(jié)論

硅藻土原土對Cd2+、Cu2+、Zn2+三種重金屬離子吸附的適宜時間為20min，投加量為每50mL模擬廢水投加2g，競爭吸附順序Cu2+ > Cd2+ > Zn2+。鎂離子與鋇離子飽和硅藻土與原土相比，Cd2+與Zn2+優(yōu)先吸附順序發(fā)生了改變，即離子交換吸附可能改變競爭吸附機制。

參考文獻：

[1]夏士朋， 石誠. 改性硅藻土處理廢水中重金屬離子[J]. 河南化工， 2002（5）， 24-25.

[2]羅道成， 劉俊峰. 改性硅藻土對廢水中Pb2+， Cu2+， Zn2+吸附性能的研究[J]. 中國礦業(yè)， 2005， 14（7）， 69-71.

[3]郭曉芳， 劉云國， 樊霆等. 改性新型Mn-硅藻土吸附電鍍廢水中鉛鋅的研究[J]. 非金屬礦， 2006 （11）， 42-45.

[4]葉力佳，杜玉成. 硅藻土對重金屬離子Cu2+的吸附性能研究[J]. 礦冶， 2005， 14（3）， 69-71.

[5]丁社光. 硅藻土對鉛離子的靜態(tài)吸附實驗研究[J]. 重慶工商大學(xué)學(xué)報，2007，24 （1）， 51-55.

[6]YAI-degs， M.A.M.Khraishen， M.F.Tutunji. Sorption of lead ions on diatomite and manganese oxides modified diatomite[J]. Wat.Res.， 2000， 35（15）， 3724 -3728.

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