硅藻土对水相中Sr2+的吸附性能研究

吴 波，张 伟

(1.西南科技大学国防科技学院，四川 绵阳 621010；2.西南科技大学分析测试中心，四川 绵阳 621010)

硅藻土对水相中Sr2+的吸附性能研究

吴 波1，张 伟2

(1.西南科技大学国防科技学院，四川 绵阳 621010；2.西南科技大学分析测试中心，四川 绵阳 621010)

研究了硅藻土对水相中Sr2+的吸附过程，讨论了各种因素对吸附效果的影响。结果表明：硅藻土对水相中的Sr2+具有较好的吸附效果。溶液pH值是影响硅藻土吸附Sr2+的重要因素，在强酸性环境下，硅藻土对Sr2+的吸附效果较佳。硅藻土对Sr2+的去除率随着硅藻土用量增加而增大，随着Sr2+初始质量浓度增加而降低；吸附量则随着硅藻土用量增加而降低，随着Sr2+初始浓度增加而增大。动力学研究表明，硅藻土对Sr2+的吸附是快速吸附过程，吸附进行到60min时，去除率和吸附量达到吸附平衡的95%；吸附过程较好地拟合伪二级动力学方程。

硅藻土；Sr2+；吸附

硅藻土是由硅藻及其他微生物的硅质遗骸组成的生物硅质岩，具有独特微孔结构、大比表面积、强吸附性、耐高温、耐酸性等优点，因此在污/废水处理等方面具有广泛的研究与应用[1-4]。但是利用硅藻土处理中低放射性废物的研究却鲜有报道。日益强化的资源环境约束要求对中低放射性废物的处理具有高效、节能、环保等特点，因此，本文以硅藻土作吸附材料，研究其对水相中Sr2+的吸附条件、动力学过程等吸附性能，为寻找新型高效吸附材料处理放射性废物提供基础实验数据，为放射性废物减容化处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

硅藻土购自成都市科龙化工试剂厂，化学纯。经XRF测试该硅藻土化学成分(%)为：SiO292.28，Fe2O33.25，Al2O31.58，K2O 0.87，CaO 0.75，其他 1.27。

Sr(NO3)2、HNO3、NaOH等试剂均为分析纯。锶标准溶液配制：称取2.42g硝酸锶，置于100mL烧杯中，用超纯水溶解后移至1 000mL容量瓶中，用蒸馏水冲洗玻棒及烧杯，冲洗液移入容量瓶，如此重复3次，向容量瓶里加入6mL浓HNO3，定容，摇匀得到1 000mg/L的Sr2+溶液，备用。使用时根据需要按比例稀释至不同锶离子浓度。

仪器：PHS-3C型精密酸度计(上海大普仪器有限公司)，TDL-40B离心机(上海安亭科学仪器厂)，SHA-2A冷冻水浴恒温振荡器(江苏金坛市亿通电子有限公司)，AA700型原子吸收光谱仪(美国PerkinElmer公司)，Magix型X-射线荧光光谱仪(荷兰帕纳科公司)。

1.2 静态吸附试验

除特别说明外，溶液的初始pH值均用稀硝酸和10%氢氧化钠溶液调节。

移取一定浓度的Sr2+溶液100mL置于250mL的三角瓶中，称取试验所需硅藻土量加入到上述三角瓶中，置于恒温(25±1℃)振荡器中振荡试验所用时间，后将悬浊液离心(5min，4 000r/min)分离，收集上清液用原子吸收光谱仪测定残余Sr2+浓度，并收集固体样品烘干，置于干燥器中备用。

1.3 去除率和吸附量的计算

以去除率R和吸附量Q表征硅藻土对水相中Sr2+的吸附效果，计算公式如下：

式中：R为去除率，%；Q为吸附量，mg/g；C0和Ct分别为吸附前和吸附t时刻后溶液中Sr2+浓度，mg/L；V为吸附溶液体积，L；m为硅藻土质量，g。

2 结果与讨论

2.1 pH值对吸附效果的影响

在Sr2+初始浓度为10mg/L、硅藻土用量为1.0g、振荡时间60min和吸附温度为25℃的条件下，考察了溶液初始pH值为2.0～7.0时硅藻土对Sr2+吸附效果的影响，结果见图1。

从图1可以看出，pH值对去除率和吸附量的影响较明显。随着溶液pH值增加，硅藻土对Sr2+的去除率及吸附量呈先下降后上升的趋势。pH值为2.0时，去除率和吸附量达最大值，分别为48.62%和0.450 mg/g；pH值在2.0～4.0时，去除率和吸附量急剧下降，降幅达58%；pH值在4.0～7.0时, 去除率和吸附量出现缓慢回升，但总体增幅较小。这一现象和诸多学者[5-6]研究的pH值对硅藻土吸附重金属离子影响变化趋势上有差异，可能和硅藻土的来源及组成等有关，需要后续深入探讨。本试验选择pH值为3.0进行后续研究。

2.2 动力学分析

在pH值为3.0、Sr2+初始浓度为10mg/L、硅藻土用量为1.0 g和吸附温度为25℃的条件下，硅藻土吸附去除Sr2+的动力学曲线见图2。

由图2可知，试验开始的最初5min内是硅藻土对Sr2+的快速吸附过程，去除率和吸附量分别为45.14%和0.468mg/g，达平衡时的86%左右。在5～600min内，硅藻土对Sr2+的去除率和吸附量出现了升高—降低—再升高的反复波动；吸附进行到60min，去除率和吸附量达到吸附平衡的95%；继续延长吸附时间600～1 440min，硅藻土对Sr2+的吸附逐渐趋于平衡。

Sr2+的去除率和硅藻土吸附量随时间的变化直接反映了吸附速率的大小，是硅藻土颗粒与Sr2+微观吸附过程在宏观上的反映。在吸附作用的初始阶段，由于硅藻土表面和孔道上含有大量的硅羟基，硅羟基在水溶液中离解出H+，使其颗粒表面呈现电负性，对溶液中的阳离子具有较强的吸附能力，加之与Si-Al骨架结合力较弱的Na+、Ca2+等阳离子可能与Sr2+发生交换反应，所以吸附过程进行得很快；随着吸附时间增加，硅藻土表面电负性及Na+、Ca2+等阳离子和有机活性基团逐渐减少，硅藻土颗粒表面自由能逐渐降低，使得吸附速率减慢并最终达到平衡稳定。

2.3 伪二级动力学方程拟合

将动力学分析中计算得到的硅藻土对Sr2+的吸附量用伪二级动力学方程拟合：

式中：qe、qt分别为吸附平衡和t 时刻硅藻土对Sr2+的吸附量(mg/g)；k2为伪二级动力学吸附速率常数[g·(mg/min)]。

拟合图如图3所示，拟合直线方程为y=1.822 3x+6.612，相关系数R2为0.999 8，伪二级动力学吸附速率常数0.502 2g·(mg/min)，可知伪二级动力学方程能很好地描述吸附过程。

2.4 硅藻土用量对吸附效果的影响

在pH值为3.0、Sr2+初始浓度10mg/L、振荡时间60min和吸附温度25℃的条件下，硅藻土用量0.3、0.5、1.0、1.5、2.0g，考察硅藻土用量对吸附Sr2+的影响，见图4。

从图4可知，其他试验条件不变，随着硅藻土用量的增加，硅藻土对Sr2+的去除率逐渐增加，吸附量逐渐下降。当硅藻土用量从0.3g增加到2.0g，去除率从27.33%增加到55.09%，吸附量却从0.843 5mg/g下降到0.255 0mg/g。究其原因：溶液中Sr2+总量不变的前提下，增加吸附剂的用量使得吸附点位增多，去除率随之增加；然而吸附点位的增多，则使单位吸附剂吸附到Sr2+的量减少，导致吸附量下降。

2.5 Sr2+初始质量浓度对吸附效果的影响

在pH值为3.0、硅藻土用量为1.0g、振荡时间60min和吸附温度25℃的条件下，考察了Sr2+初始浓度分别为10、20、50、200、500mg/L时硅藻土吸附效果，见图5。

由图5可见，随着Sr2+初始浓度的增加，硅藻土对Sr2+的去除率显著下降，从48.73%下降到7.53%；而吸附量却大幅提升，从0.447 1mg/g增加到3.596 7 mg/g，提升幅度达到原来的8倍多。这是因为：溶液中硅藻土用量不变，即吸附点位总数不变，随着Sr2+初始浓度增大，吸附未饱和时被结合掉的吸附点位数逐渐增多，吸附量逐渐提高；然而单位体积内未被吸附的Sr2+量却大幅增加，导致去除率显著下降。

3 结论

硅藻土对水相中的Sr2+具有较好的吸附效果，静态吸附试验表明：溶液pH值是影响硅藻土吸附Sr2+的重要因素；在强酸性环境下，硅藻土对Sr2+的吸附效果优于弱酸性及中性条件。动力学研究分析，最初的5min是硅藻土对Sr2+的快速吸附过程，吸附进行到60min时，去除率和吸附量可以达到吸附平衡的95%；并且这种吸附可以较好的拟合伪二级动力学方程。硅藻土用量增加，对Sr2+的去除率增加，吸附量下降。Sr2+初始浓度增加，硅藻土对Sr2+的去除率下降，吸附量大幅提升。

[1]张秀丽,曹新,赵增迎.改性硅藻土处理含重金属Cu2+废水[J].中国非金属矿工业导刊,2007,(1):58-59.

[2]党玮,宋心诚,石岭,等.改性硅藻土处理含磷废水的研究[J].胶体与聚合物,2009,27(4):25-27.

[3]黄昆,薛洪海,张歌珊,等.低品位硅藻土对有机染料的吸附性能[J].吉林大学学报(理学版),2010,48(4):713-717.

[4]曹亚锋,王平,罗文连,等.硅藻土的改性以及处理重金属废水的研究进展[J].环境科学与管理,2010,35(7):85-88.

[5]叶力佳,杜玉成.硅藻土对重金属离子Cu2+的吸附性能研究[J].矿冶,2005,14(3):69-71.

[6]侯燕,杨云龙.硅藻土处理工业废水中铜离子的研究[J].科学技术与工程,2010,10(11):2807-2809.

Research on Adsorption of Strontium Ions by Diatomate

WU Bo, ZHANG Wei
(1.School of National Defence Science and Technology, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010,China; 2.Analytical and Testing Center Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

The adsorption of strontium ions by diatomate was investigated under the different adsorption conditions. The results of the study showed that the diatomate has some abilities to adsorb strontium ions from solution. PH value of the solution was an important factor for both solution chemistry of metals and adsorbent. The adsorption capacity of diatomate with strontium ions was better in acid condition. The removal rate risen as the dosage of diatomate increased, and declined as the concentration of strontium ions increased. While, the adsorption capacity declined as the dosage of diatomate increased, and risen as the concentration of strontium ions increased. The kinetics research indicated that the adsorption of strontium ions by diatomate was a rapid process. The removal rate and adsorption capacity could reach 95% of adsorption equilibrium in 60min. The experimental results were fitted well to the pseudo second-order kinetics equation.

diatomite; strontium ions; adsorption

X703;TD985

A

1007-9386(2011)01-0035-03

2010-12-02