会宁凹凸棒石粘土对Ni(Ⅱ)的吸附性能

张庆芳，胡显峰，周丹丹

(兰州理工大学石油化工学院，甘肃 兰州 730050)

凹凸棒石又名坡缕石，是层链状含水多孔富镁铝硅酸盐粘土矿物，其晶体直径只有几十纳米，颗粒非常细小，呈现细小的纤维状晶体形态，属于一维的天然纳米材料[1，2]。由于凹凸棒石具有独特的链式结构、大量的微孔孔道、较大的比表面积，因而具有良好的吸附性能。

镍是人体必需的生命元素，但过量的镍会对人体造成危害，对水生生物也有明显的毒害作用。近年来，镍及化合物对机体多器官、多系统以及“三致”毒作用机制的研究报道较多[3，4]。作者研究了会宁凹凸棒石粘土吸附溶液中Ni(Ⅱ)的效果，为凹凸棒石粘土作为吸附剂去除Ni(Ⅱ)等重金属污染物提供一定的科学依据。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

吸附剂：凹凸棒石粘土，取自甘肃省会宁县，粉碎过200目筛，提纯后在105℃烘干，密封备用[5～9]。

吸附质：实验中所需各种Ni(Ⅱ)溶液均由氯化镍配制[10]。

氯化镍、柠檬酸铵、碘、碘化钾、乙二胺四乙酸钠、丁二酮肟，均为分析纯。

UV-2100型紫外可见分光光度计，上海尤尼柯仪器有限公司；HI9024型便携式酸度计，北京哈纳科仪科技有限公司；THZ-92B型气浴恒温振荡器，上海博迅实业有限公司医疗设备厂。

1.2 方法

将0.1 g凹凸棒石粘土放入50 mL浓度为30 mg·L-1、pH值为6.3的Ni(Ⅱ)溶液中，控制温度为30℃、振荡速度为200 r·min-1，振荡吸附20 min，取出，过滤，测定滤液中剩余的Ni(Ⅱ)浓度[11～15]，计算吸附率。

1.3 Ni(Ⅱ)浓度的测定

采用丁二酮肟光度法测定Ni(Ⅱ)浓度，最低检出浓度为0.1 mg·L-1，测定上限为4 mg·L-1[16]。

所有实验均为3个平行样，取其平均值。

1.4 吸附量的计算

当吸附t时间后，凹凸棒石粘土吸附的Ni(Ⅱ)量qt(mg·g-1)按下式计算：

式中：c0、ct为初始和吸附t时间时液相中吸附质的浓度，mg·L-1；V为吸附溶液的体积，mL；W为吸附剂的用量，g。

2 结果与讨论

2.1 吸附时间对吸附性能的影响(图1)

图1 吸附时间对吸附性能的影响

由图1可知，凹凸棒石粘土对Ni(Ⅱ)的吸附分为三个阶段，即快速吸附阶段、缓慢吸附阶段以及吸附平衡阶段。0～10 min为快速吸附阶段，吸附率在10 min内由63%上升到90%；10～20 min为缓慢吸附阶段，吸附率在10 min内仅由90%上升到95%，上升速度较慢；20 min之后，随吸附时间延长，凹凸棒石粘土对Ni(Ⅱ)的吸附率基本维持在95%左右，可以认为达到了吸附平衡。本实验取最佳吸附时间为20 min。

2.2 Ni(Ⅱ)初始浓度对吸附性能的影响(图2)

图2 Ni(Ⅱ)初始浓度对吸附性能的影响

由图2可知，随着Ni(Ⅱ)初始浓度的增大，凹凸棒石粘土的吸附量逐渐上升，吸附率却逐渐下降。相对于低浓度的Ni(Ⅱ)溶液，较高浓度Ni(Ⅱ)的去除率较低。这是因为，凹凸棒石粘土表面活性点的数目有限，一定量的吸附剂对于一定浓度的吸附质溶液，存在一个最佳的吸附量。本实验取最佳Ni(Ⅱ)初始浓度为30 mg·L-1。

2.3 溶液pH值对吸附性能的影响(图3)

图3 溶液pH值对吸附性能的影响

由图3可知，在 pH<6.0时，吸附量和吸附率均随pH值的增大而显著上升；当pH>6.0时，凹凸棒石粘土对Ni(Ⅱ)的吸附量和吸附率基本不变。这是因为，在酸性条件下凹凸棒石粘土带有正电荷，不利于吸附进行；碱性条件下凹凸棒石粘土带有负电荷，其与阳离子之间存在静电引力，利于吸附进行。本实验取最佳pH值为6.0。

2.4 温度对吸附性能的影响(图4)

图4 温度对吸附性能的影响

由图4可知，温度从20℃升高到70℃，凹凸棒石粘土吸附Ni(Ⅱ)的吸附量和吸附率虽然都有所上升，但是变化不大，可见温度对凹凸棒石粘土吸附Ni(Ⅱ)的影响不大。本实验可以在室温下进行。

2.5 吸附剂量对吸附性能的影响(图5)

图5 吸附剂量对吸附性能的影响

由图5可知，溶液中Ni(Ⅱ)浓度一定时，吸附剂量从0.05 g增加到0.1 g，Ni(Ⅱ)的吸附率显著上升，但再增加吸附剂量，Ni(Ⅱ)的吸附率升幅不大；吸附量则随吸附剂量的增加而下降。吸附率的上升可能是由于凹凸棒石粘土表面积和可利用的活性吸附点位的增加；吸附量的下降可能是由于在Ni(Ⅱ)浓度不变时，凹凸棒石粘土用量的增加会使单位质量凹凸棒石粘土吸附的Ni(Ⅱ)数量减少[即Ni(Ⅱ)与凹凸棒石粘土量的比值变小]，导致吸附到的Ni(Ⅱ)的量不足以抵消凹凸棒石粘土用量的增加。本实验取最佳吸附剂量为0.1 g·(50 mL)-1。

3 结论

(1)会宁凹凸棒石粘土对Ni(Ⅱ)的吸附在吸附前10 min内基本完成，吸附率和吸附量均随吸附时间的延长快速上升，10～20 min内随时间的延长缓慢上升，表明吸附趋于平衡。

(2)随着Ni(Ⅱ)初始浓度的增大，会宁凹凸棒石粘土对Ni(Ⅱ)的吸附量上升，但吸附率却逐渐下降。

(3)会宁凹凸棒石粘土对Ni(Ⅱ)的吸附量和吸附率都随pH值增大而上升，pH>6.0时，吸附量和吸附率基本不变，表明吸附宜在中性或偏酸性条件下进行。

(4)会宁凹凸棒石粘土对Ni(Ⅱ)的吸附量和吸附率均随温度的升高而上升，但是变化不大，表明吸附可以在室温下进行。

(5)随着吸附剂量的增加，会宁凹凸棒石粘土对Ni(Ⅱ)的吸附量下降，但吸附率却上升。

(6)会宁凹凸棒石粘土在吸附时间为20 min、Ni(Ⅱ)初始浓度为30 mg·L-1、pH值为6.0、吸附剂量为0.1 g·(50 mL)-1、温度为20℃条件下，对Ni(Ⅱ)的吸附率最高达98.4%、最大吸附量为33.1 mg·g-1，表明会宁凹凸棒石粘土对Ni(Ⅱ)有良好的吸附作用。

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