西宁盆地坡缕石粘土对Cd2+吸附性能研究

张兴儒，郭会宾，崔明鑫,王晓宁

（青海大学化工学院，青海 西宁 810016）

西宁盆地坡缕石粘土对Cd2+吸附性能研究

张兴儒，郭会宾，崔明鑫,王晓宁

（青海大学化工学院，青海 西宁 810016）

试验研究了西宁盆地坡缕石粘土对Cd2+的吸附性能，考察了改性方法、搅拌时间、粘土投加量、吸附温度、溶液初始浓度等因素对吸附效果的影响。结果表明，采用Na2CO3改性时，Na2CO3与粘土最佳配比为3∶100；吸附的适宜条件为：搅拌时间50min、粘土投加量1.5g/100mL Cd2+溶液、吸附温度20℃；在试验的浓度范围内，Cd2+在粘土上的吸附规律符合Langmuir等温模型。西宁盆地坡缕石粘土对Cd2+具有较好的吸附性能，粘土投加量为每100mL Cd2+溶液2.5g时，处理后溶液中Cd2+含量下降到0.1mg/L以下，符合GB8796-1996第一类污染物最高排放标准。

坡缕石粘土；Cd2+；吸附性能；西宁盆地

1 引言

随着工业的发展，大量废水的排放使土壤和水源中重金属积累加剧，重金属对环境污染日益严重。重金属易通过食物链而生物富集，构成对生物和人体健康的严重威胁，如何有效地减少重金属污染已成为研究的热点问题[1]。

吸附技术处理废污水是目前环境污染治理的常用技术之一，其应用受到吸附剂成本的制约。长期以来，活性炭一直是最常规的吸附材料，但由于成本较高使其应用受到限制[2-3]。世界各国均致力于寻求低成本的吸附材料，利用农业废弃物、工业废料和矿物质对重金属的吸附研究，取得了较好的效果。粘土矿物储量大、价格低，且独特的层状结构、大比表面积、高孔隙率和强极性特性，使其具有良好的吸附和离子交换性，是去除废水中重金属元素较为理想的低成本吸附剂，在水污染治理和土壤修复中有很好的应用前景[4-5]。

本文以西宁盆地坡缕石粘土为原料进行了对Cd2+的吸附性能研究，探讨其在含重金属离子废水处理和Cd2+污染土壤的修复方面的应用前景。

2 试验

2.1 试验材料

试验所用粘土取自西宁盆地湟中县升平一带，经国土资源部西宁矿产资源监督检测中心测定，其化学组成(%)为：CaO 20.28，MgO 13.00，SiO225.64，Fe2O33.21，Al2O36.93，Cd 0.000 1。

2.2 试剂及仪器

试剂：硝酸镉(分析纯)，无水碳酸钠(分析纯)，硫酸(化学纯)。

仪器：华普达SHA-BA型水浴恒温振荡器(常州市华普达教学仪器有限公司)、PAS-990型原子吸收分光光度计(北京普析通用)、JA1003N型电子天平(上海精密科学仪器有限公司)、DGG-9053AD型电热恒温鼓风干燥箱(上海森信实验仪器有限公司)、PH-3C精密PH计(上海精密科学仪器有限公司)。

2.3 试验方法

2.3.1 粘土预处理

把粘土研磨成粉末过2mm筛，取10g加入到盛有200mL自来水的烧杯中，搅拌40min左右，充分混匀后，弃去少许沉淀，然后对悬浮液进行真空抽滤，得到的滤饼在鼓风干燥箱中烘干待用。湿选过程收率约为70%。

2.3.2 改性方法

分别称取10g已湿选的粘土，加入一定量的改性剂于500mL烧杯中，再加入200mL蒸馏水，在室温下水浴恒温振荡器中振荡2h。然后静置，抽滤，烘干待用。2.3.3 吸附Cd2+方法

配制一定浓度的Cd2+溶液，调pH值=7.0左右，将一定量改性后的粘土加入到100mL一定浓度的Cd2+溶液中，在一定转速下搅拌一定时间后静置，过滤，用原子吸收分光光度计测定Cd2+含量，计算Cd2+去除率和吸附容量。

3 试验结果与讨论

3.1 搅拌时间对Cd2+吸附性能的影响

在pH值=7.0左右、吸附温度20℃、粘土加入量1.0g/100mLCd2+溶液、溶液Cd2+含量65.65mg/L条件下，改变搅拌时间，考察未改性粘土对Cd2+的吸附性能，试验结果见图1、图2。

由图1、图2可见，随着搅拌时间的增大，未改性粘土对Cd2+的吸附容量和去除率逐渐增加，搅拌时间50min后，增加幅度趋于平缓，考虑到经济合理性，选择50min为适宜的搅拌时间。

3.2 改性剂对粘土吸附Cd2+性能影响

表1为分别用硫酸和碳酸钠改性的粘土，在吸附温度17.5℃、pH值=7.0、搅拌时间50min、恒温水浴摇床振荡转速150r/min、改性粘土用量1.0g/100mL Cd2+溶液的条件下，吸附Cd2＋离子的试验结果。由表1可见，坡缕石粘土对Cd2+吸附效果为：碱改性大于酸改性，酸改性大于未改性。

表1 硫酸和纯碱改性粘土吸附试验结果

为了确定碳酸钠的加入量，在Cd2+浓度为27.85 mg/L、吸附温度17.5℃、pH值=7.0、搅拌时间50min、恒温水浴振荡转速150r/min、改性粘土用量1g/100mLCd2+溶液的条件下，考察了每10g粘土加入碳酸钠用量对改性后粘土吸附性能的影响，试验结果见图3。由图3可见，粘土对Cd2+的吸附容量随碳酸钠加入量的增加而增加，每10g粘土碳酸钠加入量在0.1～0.3g范围内，粘土对Cd2+吸附容量随碳酸钠量增加而增加的较明显，超过0.3g以后吸附容量增加趋势平缓。因此，粘土改性时，适宜的碳酸钠用量为：0.3g/10g粘土。

3.3 吸附温度对粘土吸附Cd2+性能影响

在Cd2+浓度为65.65mg/L、pH值为7.0、搅拌时间50min、改性过的粘土投加量1.5g/100mL Cd2+溶液、恒温水浴振荡转速150r/min条件下，考察吸附温度对粘土吸附Cd2+性能的影响，结果见图4、图5。

由图4、图5可见，随着吸附温度的增加，粘土对Cd2+的吸附容量和去除率呈先增加后减小的趋势。这可能是粘土吸附Cd2+是化学吸附和物理吸附共同作用的结果。低温时，溶液中离子迁移速度慢，吸附速率小，随着温度的升高，溶液粘度减小，离子迁移速率增加，且化学吸附速率增大，从而使吸附容量增大。随着温度继续增加，物理吸附量减少。化学吸附为一放热反应，吸附平衡常数随温度升高而降低，温度对平衡的影响超过对化学吸附速率的影响，使得吸附容量和Cd2+去除率减小。适宜的吸附温度为30℃，但考虑到操作方便，吸附温度确定为20℃。

3.4 粘土投加量对吸附性能的影响

在pH值7.0左右、搅拌时间50min、吸附温度20℃、恒温水浴振荡转速150r/min条件下，考察粘土投加量对镉离子吸附性能的影响，试验结果见表2。

表2 粘土投加量对Cd2+吸附性能的影响

从表2可以看出，粘土对Cd2+去除率随粘土投加量的增大而逐渐增加，当粘土投加量增加到每100mL溶液1.5g以后，粘土对Cd2+去除率随粘土投加量增加而增加的趋势减慢；粘土吸附容量随着粘土加入量增加而减小。粘土投加量每100mL溶液2.5g时，处理后溶液中镉含量达到0.1mg/L以下，符合GB8796-1996第一类污染物最高排放标准。

3.5 吸附等温线

在pH值7.0、搅拌时间50min、改性过的粘土投加量1.5g/100mLCd2+溶液、搅拌转速150r/min、吸附温度20℃条件下，粘土对不同初始浓度的Cd2+平衡吸附量见表3。

表3 不同初始浓度的平衡吸附量

根据表3数据，以C 对S 作线性吸附等温线见图6，得到的试验数据与线性模型拟合，其相关系数为0.966 7。

按方程：

式中：B为最大吸附量；Kt为Langmuir常数。以C 对C/S 作Langmuir吸附等温线见图7，得到试验数据与Langmuir模型拟合较好，其相关系数为0.973 3。

4 结论

(1) 西宁盆地坡缕石粘土对Cd2+具有较好的吸附性能，粘土投加量每100mL溶液2.5g时，对初始Cd2+浓度为65.65mg/L的溶液，吸附后溶液Cd2+含量下降到0.1mg/L以下，符合GB8796-1996第一类污染物最高排放标准。

(2) 不同改性的粘土对Cd2+吸附性能有很大的影响，使用Na2CO3改性粘土可使其吸附性能大大改善，改性粘土对Cd2+吸附容量随着Na2CO3加入量的增加而增加，Na2CO3与粘土最佳配比为3∶100。

(3) 采用0.3g Na2CO3/10g粘土改性的坡缕石粘土，吸附Cd2+时的适宜条件为：搅拌时间50min、粘土投加量1.5g/100mLCd2+溶液、吸附温度20℃。

(4) 坡缕石粘土吸附Cd2+符合Langmuir吸附等温模型。

[1]徐玉芬.粘土矿物对废水中Cu2+、Cd2+、Cr3+的吸附实验研究[J].矿产综合利用,2008,(3):28-31.

[2]刘转年,周安宁,金奇庭,等.粘土吸附剂在废水处理中的应用[J].环境污染治理技术与设备,2003,4(2):54-57.

[3]TONNI A K, GILBERT Y S C, WAI-HUNG L, et al. Comparisons of low-cost adsorbents for treating wastewaters laden with heavy metals[J]. Science of the Total Environment, 2006,366:409-426.

[4]曹积飞,杨秋荣,李英杰,等.粘土矿物对重金属有害元素吸附性研究[J].环境科学与技术,2008,(1):42-44.

[5]胡振琪,杨秀红,高爱林.粘土矿物对重金属镉的吸附研究[J].金属矿山,2004,(6):53-55.

Study on the Adsorption of Cd2+Onto the Palygorskite Clay in Xining Basin

ZHANG Xing-ru, GUO Hui-bin, CUI Ming-xin, WANG Xiao-ning
(College of Chemical Engineering, Qinghai University, Xining 810016, China)

In this paper the adsorption of Cd2+onto the palygorskite clay in Xining basin was studied. The adsorption effects were investigated comprehensively by varying the modified methods, stirring time, clay dosage, adsorption temperature and initial solutions concentration etc. The results showed that, using Na2CO3modifying the clay, the best ratio for Na2CO3and clay is 3:100.The appropriate adsorption conditions were that stirring time of 50min, clay dosage of 1.5g/100mL and adsorption temperature of 20℃. In the range of experimental concentration, the adsorption of Cd2+onto the clay was consistent with Langmuir isotherm. The content of Cd2+in the treated solution was under 0.1mg/L when the clay dosage was 2.5g/100g. This result meets the standard GB8796-1996 for treating first class pollutants.

palygorskite clay; Cd2+; adsorption; Xining basin

P619.231;X703

A

1007-9386(2011)02-0042-03

教育部国家大学生创新实验计划(081074301)，青海省科技攻关项目(2008-G-109)。

2011-02-22