改性沸石对废水中锰的吸附研究

张 超 李建华 蔡贝珊

(1.中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司石圪台煤矿地质科，陕西榆林 719315;2.龙岩安居住宅建设有限公司，福建龙岩 364000)

锰是一种广泛存在于自然环境当中的重金属痕量元素，水中锰的价态可以由+1价到+7价，然而由于稳定性原因，自然界水体中多为还原态的Mn2+和氧化形式的MnO2［1，2］。近年来随着煤炭开采量的逐渐增加，矿山废水的排放量也是日益增多，导致了环境中的污染物质总量呈递增趋势，其中锰离子是矿山废水中具有代表性的一种污染物。人体可以通过食物链造成重金属锰的积累，会产生严重的毒性效应，损害大脑和呼吸系统，并且引发各种病症，造成人体危害［1，3-5］。吸附法是去除水中污染物的重要方法之一，不仅适用于去除有机物，同样对重金属有着良好效果，具有去除效果好、操作简单、成本容易控制、不产生毒副产物等优点［6-10］。沸石具有特殊的硅(铝)氧四面体结构［11］，比表面积较大，是很好的吸附材料，然而通过改性可以不同程度的破坏沸石的表面，使沸石的比表面积增加，从而提高了沸石的吸附和离子交换性能［11，12］。为此，本研究拟采用NaOH对沸石进行改性，用于吸附水中重金属Mn2+，本研究可为改性沸石矿山废水中锰离子的研究提供理论依据。以单因素实验系统考察吸附剂用量、吸附时间、初始浓度和温度对吸附效果的影响，探讨NaOH改性沸石对Mn2+的吸附。

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

天然沸石(分析纯，河南晶科水处理材料有限公司);氯化锰(分析纯，国药集团化学试剂有限公司);氢氧化钠(分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司);浓盐酸(分析纯，湖南株洲化学工业研究所)。超纯水系统(重庆奥恩科技有限公司);电子分析天平(梅特勒—托利多仪器有限公司);Delta320台式pH计(梅特勒—托利多仪器有限公司);AA-7002A原子吸收分光光度计(北京三雄科技)。

1.2 沸石预处理

沸石的预处理可以去除天然沸石表面含有的可溶解性有机物和无机物，减少对实验过程的干扰。处理步骤如下:首先将购买回来的沸石置于烧杯中，加入100mL的超纯水搅拌浸泡2 h，过滤，最后再清洗3次;然后在105℃下干燥至恒重，将其置于干燥器中并冷却至室温，用密封袋密封储存备用。

1.3 沸石改性

称取一定量经预处理后的沸石将其置于250mL烧杯中，加入过量2mol/L的NaOH溶液，50℃水浴加热4 h，倒出上清液，用去离子水洗涤3次，在80℃温度下烘干备用。

1.4 吸附试验

取100mL浓度为10mg/L的含Mn2+溶液分别置于250mL的锥形瓶中，加入改性后的沸石100 mg，室温条件下置于摇床中振荡，振荡时间120min，静置后于3000r/min下离心10min，取上清液用原子吸收光谱仪测反应后Mn2+的浓度。

2 结果与讨论

2.1 吸附剂用量对吸附效果的影响

选用处理后改性沸石作为吸附剂，按照吸附实验方法，当Mn2+的浓度为10mg/L时，温度为25℃，吸附时间为120min，在不调节pH值的条件下，考察吸附剂投加量对水溶液中Mn2+的吸附效果，用量控制在20 mg～200 mg之间，结果如图1所示。

由图1可知，随着改性沸石用量的增加，改性沸石对Mn2+的吸附量逐渐增大，这是由于随着改性沸石用量的增加，溶液中改性沸石总的表面积增大，导致吸附剂有效吸附位点增多。当改性沸石的用量由20 mg增加到200 mg时，改性沸石对Mn2+的吸附量从3.96mg/g增加到9.91mg/g，当用量为100 mg时，吸附量达到9.72mg/g。研究结果表明吸附剂用量是影响Mn2+吸附的重要影响因素，综合经济成本和吸附效果，选择100 mg作为吸附剂最佳用量。

2.2 吸附时间对改性沸石吸附Mn2+的影响

选用处理后改性沸石作为吸附剂，按照吸附实验方法，当Mn2+的浓度为10mg/L时，温度为25℃，吸附剂用量为100 mg，在不调节pH值的条件下，考察吸附时间对水溶液中Mn2+的去除效果的影响，吸附时间控制在30min～180min之间，结果如图2所示。

图1 投加量对去除率的影响

图2 吸附时间对去除率的影响

由图2可知，随着吸附时间的延长，吸附剂对Mn2+的吸附量逐渐增大，尤其在120min以内，吸附量与去除率升高较显著。当吸附时间为120min时，吸附量达到9.81mg/g，当继续延长吸附时间至180min时，吸附量达到最大为9.91mg/g。在120min～180min之间吸附速率趋于平缓，吸附量增加很小，这表明溶液中Mn2+浓度越高，吸附剂与其接触的机会越多，吸附也就越快，随着吸附时间的延长，溶液中Mn2+的浓度越来越低，吸附剂与Mn2+接触的机会减少，导致吸附速率减小。综合考虑选择120min为合适的吸附时间。

2.3 初始浓度对吸附性能的影响

选用处理后改性沸石作为吸附剂，按照吸附实验方法，当温度为25℃，吸附时间为120min，吸附剂用量为100 mg，在不调节pH值的条件下，考察Mn2+的初始浓度对去除效果的影响，Mn2+的浓度控制在10mg/L～70mg/L之间，结果如图3所示。

由图3可知，随着溶液中Mn2+初始浓度的增大，吸附剂对Mn2+的去除率由初始浓度为10mg/L的39.6%上升到20mg/L的93.5%，再逐渐下降至70mg/L的70.0%;吸附量由10mg/L的9.3mg/g增加到70mg/L的42mg/g。当初始浓度分别为50mg/L，60mg/L，70mg/L时，吸附量增加很小，这是由于吸附剂对溶液中Mn2+的吸附量逐渐趋于饱和。

2.4 温度对吸附性能的影响

选用处理后改性沸石作为吸附剂，按照吸附实验方法，当Mn2+的浓度为10mg/L时，吸附时间为120min，吸附剂投加量为100 mg，在不调节pH值的条件下，考察溶液初始温度对水溶液中Mn2+的去除效果，温度控制在5℃～35℃之间，结果如图4所示。

图3 初始浓度对去除率的影响

图4 温度对去除率的影响

由图4可知，随着Mn2+溶液初始温度的升高，吸附剂对Mn2+的吸附效率和吸附量逐渐增大。当温度由5℃提高至50℃时，吸附效率由73.0%上升到99.2%，吸附量由7.30mg/g增加到9.92mg/g。这是由于随着溶液初始温度的升高，溶液中的Mn2+和吸附剂的运动加快，其相互之间的吸附碰撞的机会增加，导致吸附效率和吸附量的增加。

3 结语

改性沸石对Mn2+吸附效果良好，当Mn2+溶液初始浓度为10mg/L，吸附剂投加量为100 mg，吸附时间为120min，溶液初始温度为25℃时，最大吸附容量为9.91mg/g，去除率达到99.1%。

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