三种改性膨润土对铜离子的吸附实验研究

侯丹丹，丁述理，徐博会，2，王 东

(1河北工程大学资源学院，河北邯郸，056038;2河北工程大学河北省资源勘测重点实验室，河北邯郸，056038;3河北省煤炭资源综合利用协同创新中心，河北邯郸，056038)

重金属一般是指汞、镉、铅、铬和类金属As等毒性显著的元素，也指具有一定毒性的一般重金属，如铜、锌、镍等元素。重金属具有不可降解性和易累积性，经食物链富集进入人体，会对肝脏、血液及中枢神经系统产生毒害作用［1－2］。其中铜是促进动物新陈代谢必不可少的金属元素，但摄入量过多会导致生物体产生严重的毒性反应，如呕吐，痉挛，抽搐，甚至死亡［2－4］。去除废水中重金属的传统方法有很多，如化学沉淀法，离子交换法，膜过滤法，电化学处理法，吸附法等［5－6］。其中，吸附法设计简单，操作方便，处理效果较好，是目前公认的处理重金属废水的经济有效方法。传统的吸附剂有离子交换树脂、活性炭等，但因成本较高而限制了其广泛应用［7］。因此，开发新型、高效、廉价的重金属吸附材料成为当前环境工作者关注的热点。

膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的含水层状硅酸盐黏土矿物，其结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型晶体构型［8］。与其他黏土矿物相比，膨润土比表面积更大，具有良好的离子交换能力和吸附能力，且膨润土资源丰富、廉价易得、无毒、无二次污染，是一种前景广阔的环境友好型水处理材料，在水质净化和废水处理领域受到广泛重视。目前，有关酸改性膨润土吸附废水中重金属的研究还较少。本文利用廉价的硫酸、盐酸、磷酸作为改性剂，制备了三种改性膨润土吸附剂，并研究了多种因素对吸附铜离子的影响。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

实验仪器有721型分光光度计(上海第三分析仪器厂)，DHG－200型电热恒温鼓风干燥箱(天津市华北实验仪器有限公司)，85－2数显恒温磁力搅拌器(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)，GL－20G型飞鸽牌高速冷冻式离心机、数显式酸度计，万能粉碎机(上海申光仪器仪表有限公司)等。

试验材料包括膨润土(巩义市恒鑫滤料厂)，铜粉(天津市大茂化学试剂有限公司)，硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等均为分析纯。

1.2 三种酸改性膨润土的制备

配制1mol/L的硫酸、盐酸、磷酸溶液各100 ml，称取一定量的膨润土分别与三种酸溶液混合均匀。浸泡24 h，过滤，离心，用蒸馏水将改性膨润土洗至中性。把样品置于105℃烘箱中干燥至恒重。研磨过200目筛，制得酸改性膨润土。

1.3 酸改性膨润土对铜离子的吸附实验

称取一定量的改性膨润土，量取20 ml铜离子溶液，置于恒温磁力搅拌器上搅拌一定时间，达到吸附平衡，离心分离，用721型分光光度计测上清液的吸光度。按以下公式计算铜离子去除率:

式中C0－溶液中铜离子的初始浓度;C1－吸附后上清液的浓度。

2 结果与讨论

2.1 膨润土添加量对铜离子去除率的影响

在铜离子的初始浓度为3 mg/L，搅拌时间20 min，在pH=7，温度为20℃条件下，探讨三种酸改性膨润土添加量对铜离子去除率的影响。从图1可以看出，随着改性膨润土添加量的增加，铜离子去除率逐渐增大。硫酸改性膨润土(SB)、盐酸改性膨润土(CB)、磷酸改性膨润土(PB)添加量从0.5 g/L增加到2.5 g/L，铜离子去除率分别从70%、55%、25%增加到94%、92%、89%。铜离子去除率SB＞CB＞PB。继续增加膨润土添加量，铜离子去除率增加不明显，甚至略有下降。这可能是由于随着改性膨润土添加量的增加，其表面的吸附点位和负电荷也增加，有利于金属阳离子的吸附，但是过多的膨润土在溶液中会产生“面团效应”，影响吸附过程的顺利进行，同时导致固液分离效果不佳。因此，确定最佳膨润土添加量为2.5 g/L。

2.2 初始离子浓度对铜离子去除率的影响

固定搅拌时间20 min，改性膨润土添加量2.5 g/L，在pH=7，温度为20℃条件下，探讨铜离子初始浓度对铜离子去除率的影响。如图2所示，随着铜离子初始浓度的提高，铜离子去除率逐渐下降，但下降幅度较小。铜离子初始浓度从1 mg/L提高到 3 mg/L，SB、CB、PB 对铜离子的去除率分别从94%、92%、89%下降到85%、80%、74%。在实际应用时，若铜离子的初始浓度较高，可适当增加膨润土初始添加量，或者进行二次吸附，可获得较好的去除效果。

2.3 溶液pH值对铜离子去除率的影响

在搅拌时间20 min，改性膨润土添加量2.5 g/L，铜离子初始浓度3 mg/L，在 pH=7，温度为20℃条件下，探讨溶液pH值对铜离子去除率的影响。由图3可知，溶液pH值对铜离子去除率的影响较大。当pH值从2.3上升到6.8时，铜离子去除率随pH值的升高而迅速升高。当pH值从6.8继续上升到12.3时，铜离子去除率上升幅度较小，在pH＞12时达到最大值。这可能是由于在酸性条件下，溶液中存在大量的H+，会与铜离子发生竞争吸附，随着溶液pH的增大，H+逐渐减少，膨润土晶体断面负电荷增加，竞争吸附效应也随之减弱，铜离子的吸附量上升［9］。

2.4 反应温度对铜离子去除率的影响

在搅拌时间20 min，改性膨润土添加量2.5 g/L，铜离子初始浓度3 mg/L，pH值为12，探讨反应温度对铜离子去除率的影响。从图5可以看出，铜离子去除率随温度的升高而升高，但幅度较小。随着温度从20℃上升到60℃，SB、CB、PB对铜离子的去除率分别从94%、93%、89%上升到99%、96%、93%。这可能是温度升高使得铜离子的运动加剧，更容易与膨润土颗粒接触而被吸附。另外，温度还会影响酸性改性剂对膨润土的改性效果，适当提高反应温度有利于促进酸改性剂通过离子交换、配位体交换、氢键和范德华力等方式与膨润土相结合，进而提高酸改性膨润土对铜离子的静电吸附和络合［10］。鉴于温度对铜离子去除率的影响较小，吸附过程在室温条件下进行即可。

2.5 搅拌时间对铜离子去除率的影响

在改性膨润土添加量2.5 g/L，铜离子初始浓度3 mg/L，pH值为12，温度为20℃条件下，探讨搅拌时间对铜离子去除率的影响。如图5所示，铜离子去除率随搅拌时间的增加而上升，当搅拌时间达到15 min时，三种膨润土(SB、CB、PB)对铜离子的去除率分别达到99%、96%、92%。继续延长搅拌时间，铜离子去除率基本无变化，达到吸附平衡。因此，将15 min确定为最佳反应时间。

3 结论

1)硫酸改性膨润土(SB)、盐酸改性膨润土(CB)、磷酸改性膨润土(PB)对铜离子均有较强的吸附作用。

2)铜离子初始浓度3 mg/L，酸改性膨润土添加量2.5 g/L，pH 为12，温度为20 ℃，室温，搅拌时间为15 min条件下，三种膨润土(SB、CB、PB)对铜离子的去除率分别达到99%、96%、92%。

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