吸附剂量对合成沸石吸附混合重金属的竞争效果*

程 婷，袁 昌，藏奕奕，王 敏，张 莉，陈 晨

(1.江苏城市职业学院 城市科学系，江苏 南京210017;2.江苏科技大学 环境与化学工程学院，江苏 镇江212018)

近年来，大量重金属污染物排向环境当中，对生态环境和人体健康造成极其不利的影响，因此水体中重金属的有效去除成为研究热点［1，2］。粉煤灰是燃煤电厂产生的一种固体废弃物，主要由硅、铝氧化物和其它金属氧化物组成。由于工业用煤量巨大，大量粉煤灰大量堆积，占用土地，污染环境，浪费资源。同时，粉煤灰又是一种吸附材料，比表面积较大，具有活性基团和较高的吸附活性［3，4］。粉煤灰及其合成材料作为吸附剂对重金属离子具有较好的吸附特性［5，6］。目前大多数研究集中在单一离子的吸附性能上［5，7］，对多种离子的竞争吸附研究不够全面。本研究利用粉煤灰合成的沸石材料为吸附剂，考察吸附剂量与初始浓度对合成沸石吸附重金属铅离子、铜离子、镉离子的竞争吸附效果影响。

1 试验材料和方法

1.1 试验器材

试验用粉煤灰取自江苏太仓协鑫发电厂，主要化学成分为:SiO2为51.06%，Al2O3为32.36%，Fe2O3为4.68%，CaO 为2.91%，TiO2为1.17%，MgO 为0.9%。试验用仪器有:THZ－82 型恒温振荡器(金坛市顺华仪器有限公司)，PHS－3C 型PH 计酸度计(上海雷磁仪器厂)，AA240DUO 原子吸收光谱仪(美国安捷伦科技有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 粉煤灰合成沸石的制备 粉煤灰沸石的合成采用基于氢氧化钠溶液的强碱反应法，其合成方法为:在可分离的烧瓶中将2g 粉煤灰添加到NaOH 溶液中，将溶液在25～95℃的空旷环境下搅拌1～48h(可用磁力搅拌器实现)。将获得的样品用蒸馏水冲洗并在100℃干燥24h。沸石合成的基本条件是反应时间5h，反应温度95℃，NaOH 溶液为8mol/L，体积为50L。

1.2.2 试验步骤

(1)标准曲线的绘制。 采用火焰原子吸收法测定混合重金属离子Pb2+、Cu2+、Cd2+的标准曲线，结果如图1、图2 与图3 所示。

图1 火焰原子吸收法测定的铅离子标准曲线

图2 火焰原子吸收法测定的铜离子标准曲线

图3 火焰原子吸收法测定的镉离子标准曲线

由图1～图3 火焰原子吸收法测定的铅离子、铜离子与镉离子的标准曲线结果可知，混合重金属离子中各元素测定的R2＞0.99，其相关性较好。

(2)样品测定 在10mL 具塞聚丙烯管中投加一定量合成的粉煤灰合成沸石，并移取一定体积的混合重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+溶液。用0.01mol/L 的稀硝酸和氢氧化钠溶液调节其pH 值后，置于一定温度下的水浴恒温振荡器中进行震荡吸附反应(150rpm)。吸附试验完成后利用0.45μm 的水系滤膜对混合液进行过滤，在原子吸收仪器上测定样品中残余的Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸光值，并根据绘制的标准曲线得出未知样品中Pb2+、Cu2+、Cd2+的浓度值。

1.2.3 分析方法 采用AA240DUO 原子吸收光谱仪测定吸附后水样中混合重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+的浓度。吸附容量的计算公式为:其中Qe为吸附容量(mg/g)，CO为金属离子初始浓度(mg/L)，Ce为金属离子吸附平衡浓度(mg /L)，V 为溶液体积(mL)，m 为吸附剂用量(g)。去除率的计算公式为

2 结果与讨论

2.1 沸石投加量对合成沸石吸附重金属去除率的影响

2.1.1 混合重金属离子初始浓度为50mg/L 初始浓度为50mg/L 时沸石投加量对混合重金属铅、铜、镉离子竞争吸附去除率的影响如图4 所示。合成沸石的投加量分别为:0.25、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8 与9 g/L，初始pH 为6，反应时间为14h。

图4 吸附剂量对沸石吸附重金属铅、铜、镉离子的去除率影响(初始浓度为50mg/L)

由图4 可知，当混合重金属离子初始浓度为50mg/L 时，吸附剂量对合成沸石吸附重金属铅离子、铜离子、镉离子的去除率影响非常显著。当合成沸石投加量为0.25g/L～1g/L 时，合成沸石对重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附去除率均有一定程度的上升。合成沸石对Cd2+的吸附去除率从9.54% 提高到23.90%，对Cu2+的吸附去除率从14.91%提高到29.53%，对Pb2+的吸附去除率从25.56% 提高到46.98%。当合成沸石投加量大于2 g/L 时，合成沸石对3种重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附去除率均有大幅度的提高。当合成沸石投加量为2g/L～7 g/L 时，其对Cd2+的吸附去除率从39.92%提高到96.66%，继续提高沸石投加量则吸附趋于饱和。当合成沸石投加量为2g/L～5g/L时，其对Cu2+的吸附去除率从56.90%提高到96.01%。而当合成沸石投加量为2g/L～4g/L 时，对Pb2+的吸附去除率从88.89%提高到98.25%。当吸附剂量大于7g/L 时，继续提高其量已经对吸附体系的去除率没有影响，吸附体系趋于饱和。此外，由图1 还可以看出，在整个吸附过程中，合成沸石对混合重金属离子Pb2+、Cu2+、Cd2+的竞争吸附顺序为:Pb ＞Cu ＞Cd。即在重金属Pb2+、Cu2+与Cd2+这3 种离子共存时，合成沸石对重金属Pb2+的吸附去除率最好，其次为重金属Cu2+，对重金属Cd2+的吸附去除率最差。

2.1.2 混合重金属离子初始浓度为100mg/L

图5 吸附剂量对沸石吸附重金属铅、铜、镉离子的去除率的影响(初始浓度为100mg/L)

当混合重金属离子浓度为100mg/L 时，沸石投加量对混合重金属铅、铜、镉离子竞争吸附去除率的影响如图5 所示。合成沸石的投加量分别为:0.25、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8 与9 g/L，初始pH 为6，反应时间为14h。由图5 可知，当混合重金属离子初始浓度为100mg/L 时，吸附剂量对沸石吸附重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+的去除率影响非常显著。随着吸附剂投加量的不断增加，合成沸石对3 种重金属的去除率均不断升高，且合成沸石对3 种重金属离子Pb2+、Cu2+、Cd2+的竞争吸附顺序仍然为:Pb ＞Cu ＞Cd。当沸石投加量为0.25g/L～1g/L 时，合成沸石对重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附去除率均有一定程度的上升。其对Cd2+的吸附去除率从3.98%提高到6.69%，对Cu2+的吸附去除率从10.58%提高到19.82%，对Pb2+的吸附去除率从13.10%提高到33.49%。沸石投加量为2～9g/L 时，沸石对3 种重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附去除率均有不同程度的提高，其对Cd2+的吸附去除率从10.07%提高到28.81%，对Cu2+的吸附去除率从25.88%提高到80.15%，对Pb2+的吸附去除率从51.51%提高到99.68%。

2.2 沸石投加量对合成沸石吸附重金属饱和吸附量的影响

图6 吸附剂量对沸石吸附重金属铅、铜、镉离子的饱和吸附量影响(初始浓度为50mg/L)

图7 吸附剂量对沸石吸附重金属铅、铜、镉离子的饱和吸附量影响(初始浓度为100mg/L)

合成沸石吸附混合重金属离子Pb2+、Cu2+、Cd2+的饱和吸附量受沸石投加量的影响如图6(初始浓度为50mg/L)与图7(初始浓度为100mg/L)所示。其中合成沸石的投加量分别为:0.25、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8 与9g/L，初始pH 为6，反应时间为14h。由图6 与图7 所示，合成沸石对重金属离子Pb2+、Cu2+、Cd2+的饱和吸附量受沸石投加量的影响显著。随着合成沸石投加量的不断增加，其对混合重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+的饱和吸附量不断下降，即单位质量的沸石吸附剂对重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附容量不断下降，且当沸石投加量为0.25g/L～1g/L 时，初始浓度为50mg/L 与100mg/L 吸附体系中的饱和吸附量均随着沸石投加量的上升而大幅度下降。当混合重金属离子的初始浓度为50mg/L 时，沸石投加量为0.25g/L～1g/L 时，合成沸石对Cd2+的吸附容量由19.08mg/g 下降到11.95mg/g，对Cu2+的吸附容量由29.82mg/g 下降到14.77mg/g，对Pb2+的吸附容量由51.11mg/g 下降到23.49mg/g。当混合重金属离子的初始浓度为100mg/L时，沸石投加量为0.25g/L～1g/L 时，合成沸石对Cd2+的吸附容量由15.90mg/g 下降到6.69mg/g，对Cu2+的吸附容量由42.34mg/g 下降到19.82mg/g，对Pb2+的吸附容量由52.38mg/g 下降到33.49mg/g。当沸石投加量为2g/L～9g/L 时，合成沸石对混合重金属的饱和吸附容量均有不同程度的下降。当混合重金属离子浓度为50mg/L 时，其对Cd2+的吸附容量由9.98mg/g下降到5.56mg/g，对Cu2+的吸附容量由14.23mg/g下降到5.56mg/g，对Pb2+的吸附容量由22.22mg/g下降到5.56mg/g。当混合重金属离子浓度为100mg/L 时，其对Cd2+的吸附容量由5.04mg/g 下降到3.20mg/g，对Cu2+的吸附容量由12.94mg/g 下降到8.91mg/g，对Pb2+的吸附容量由25.75mg/g 下降到11.08mg/g。吸附剂投加量增加以后，其与水中混合重金属的接触面积也随之增加，从而使吸附剂利用率降低。

3 结 论

(1)吸附剂投加量对粉煤灰合成沸石吸附混合重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+去除率与饱和吸附量均影响显著。

(2)随着吸附剂投加量的不断增加，合成沸石对3种重金属的去除率均不断升高。当初始浓度为50 mg/L 与100 mg/L 时，合成沸石对3 种重金属离子Pb2+、Cu2+、Cd2+的竞争吸附顺序均为:Pb ＞Cu ＞Cd。

(3)随着合成沸石投加量的不断增加，其对混合重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+的饱和吸附量不断下降，即单位质量的沸石吸附剂对重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附容量不断下降。

(4)当沸石投加量为0.25g/L～1g/L 时，初始浓度为50mg/L 与100mg/L 吸附体系中的饱和吸附量均随着沸石投加量的上升而大幅度下降。

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