碱浸硅藻土对重金属离子的吸附性能

徐 　 铖，　张 　 健，　李 　 娜，　平 清 伟

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连　116034 )



碱浸硅藻土对重金属离子的吸附性能

徐 铖，张 健，李 娜，平 清 伟

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连116034 )

利用吸附性能强、价格低廉、资源丰富的硅藻土为吸附剂对重金属离子铅进行吸附研究。研究发现未经处理的硅藻土对铅有一定的吸附效果但不明显，通过简单的碱浸处理工艺提纯后，其对铅的吸附效果明显改善。通过单因素试验确定吸附的最佳条件，并利用正交试验确定碱浸工艺的最优条件，最后利用SEM进行验证分析。结果表明，最优的碱浸提纯工艺为质量分数为5%的氢氧化钠，60 ℃ 处理90 min。对于10 mL的硝酸铅溶液(20 mg/mL)，在碱浸硅藻土用量0.06 g、温度25 ℃和pH为5的条件下进行吸附，对Pb2+的去除率可达88.32%；SEM分析发现，碱浸提纯后的硅藻土表面上的被堵塞的孔隙被打开，部分杂质被去除，体系通透性增加，从而使得处理后的硅藻土吸附性能提高。

硅藻土；重金属离子；碱浸；吸附性能

0　引　言

水体重金属离子污染是指含有重金属离子的污染物进入水体对水体造成的污染。目前，国内水体重金属污染已十分突出。江河湖库底质污染严重，重金属污染率高达81%。长江、珠江、黄河、松花江、淮河、海河等七大水系均遭受了不同程度的重金属污染，根据七大水系中水质状况最好的长江的调查来看，其近岸水域已受到不同程度的重金属污染，Zn、Pb、Cd、Cu、Cr等元素污染严重。城市河流有60%的河段出现了不同程度的重金属超标现象[1-3]。

现在含重金属离子废水处理方法主要有离子交换、化学沉淀、电动力修复。在这些方法中，吸附法由于稳定、可靠、简单、低耗、低二次污染等优势而被广泛应用。吸附法作为一种重要的废水处理方法，其关键在于吸附材料的选择。针对含重金属离子废水处理，吸附材料必须有效地吸附并固定重金属离子，同时具有来源丰富、价格便宜、易再生等优势[4-6]。

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，其化学成分主要是SiO2[7]。硅藻土表面有大量的硅羟基及氢键，这些硅羟基及氢键同时存在于硅藻土众多的微孔之中，赋予了硅藻土负电性能，这都为硅藻土吸附正电性物质提供了理论基础[8]。此外硅藻土具有耐酸、孔容孔径大、比表面积大、吸附能力强等优点[9-10]，因此可作为吸附材料吸附重金属离子。文献[11-12]也表明硅藻土可用于重金属离子镉的吸附处理。但硅藻土作为一种非金属矿，未经提纯处理的原料杂质含量较高，这些杂质堵塞微孔的同时，还将占据硅藻土吸附点位，从而降低硅藻土的吸附效果，这在许多方面大大限制了硅藻土的应用[13-14]。

硅藻土的选矿提纯是提高硅藻土应用性能的瓶颈问题[15]。目前硅藻土提纯多采用酸浸和焙烧的方法[16]，但酸浸所用酸浓度一般为浓酸，处理过程中操作困难而且效果较一般。鉴于此，寻找新的硅藻土提纯工艺对扩大硅藻土的应用无疑是有价值的。本文在前期研究结果[17-18]的基础上，以硅藻土为原料，利用碱浸的方法提纯硅藻土并优化碱浸硅藻土的提纯工艺，研究碱浸硅藻土对硝酸铅溶液中铅离子的吸附能力。利用SEM对硅藻土碱浸前后的结构进行观察，通过对比，分析出造成碱浸前后吸附性能差异的原因。

1　试　验

1.1主要试剂与原料

硅藻土，吉林白山禄林木业有限公司；硝酸铅、氢氧化钠，分析纯，天津市光复精细化工研究所。

1.2碱浸硅藻土的制备

用电子天平称2 g硅藻土放入50 mL锥形瓶中，加入一定浓度的氢氧化钠溶液，氢氧化钠的用量为刚好浸没硅藻土即可，搅拌速度控制在100～200 r/min，选取不同的反应温度和时间进行反应后，分别用蒸馏水洗至溶液呈中性，过滤，放于电热鼓风干燥箱中干燥，冷却，研磨，装袋备用。

碱浸提纯工艺过程中，氢氧化钠质量分数(w)、碱浸时间(t)、碱浸温度(θ)是提纯处理的主要影响因素[9]，采用正交试验对主要影响因素和水平进行优化。因素水平表见表1。

表1　碱浸提纯正交试验表

1.3吸附性能测试

取一定质量的样品，加入到10 mL硝酸铅溶液中，调节pH，控制反应时间和温度，利用紫外分光光度计测得吸光度，根据硝酸铅标准曲线计算去除率。吸附剂用量、pH、温度均对吸附效果有一定影响，为了得到最优吸附条件，以去除率为试验指标设计单因素试验以得到最优吸附条件。

2　结果分析与讨论

2.1硅藻土对Pb2+吸附条件的确定

2.1.1硅藻土用量的确定

在pH为7、温度为25 ℃时，对10 mL的硝酸铅溶液(20 mg/mL)进行硅藻土吸附试验，以确定硅藻土的最佳用量。如图1所示。

图1　硅藻土用量对Pb2+的吸附去除率的影响

由图1可得出，随硅藻土用量的增加，硅藻土对硝酸铅的吸附量逐渐增加，本试验条件下，当加入量为0.06 g时，硅藻土对Pb2+的去除率达到最大。随后，再继续增加硅藻土用量，硅藻土对Pb2+的去除率开始下降。因此，硅藻土对10 mL的硝酸铅溶液(20 mg/mL)的最佳加入量为0.06 g，此时对Pb2+的去除率为17.58%。当硅藻土用量大于0.06 g后，继续增加硅藻土用量，Pb2+的去除效果反而下降的原因，可能是由于吸附到一定程度后，Pb2+的解吸效应影响，从而使得Pb2+的去除率下降，对此方面的原因课题组将做进一步的研究探讨。

2.1.2pH对去除率的影响

前期的研究结果[10]发现，硅藻土在对亚甲基蓝的吸附过程受pH影响较大，为此本研究在吸附条件确定过程中对pH进行了分析探讨。在温度为25%、硅藻土用量为0.06 g时，使用10 mL的硝酸铅溶液(20 mg/mL)，研究pH对硅藻土吸附硝酸铅溶液的影响，结果如图2所示。

图2　pH对硅藻土吸附Pb2+去除率的影响

由图2发现，硅藻土对Pb2+的吸附同样受pH影响。结果表明，pH在3～9去除效果较好，而在过酸或过碱条件下，Pb2+的去除效果都有一定程度的下降，这主要与体系的电离作用和孔隙腐蚀作用有关。在过酸条件下，Si-O的电离作用会影响硅藻土的电荷情况，从而影响其对Pb2+的吸附能力；而在过碱条件下，碱对硅藻土的碱蚀加剧，使得部分孔隙结构被破坏，此时硅藻土对Pb2+的去除率将下降。综合考虑，本试验条件下选择藻土的吸附pH为5。

2.1.3温度对去除率的影响

硅藻土对染料的吸附受温度影响较大，主要是由于染料分子在不同温度下运动变化较大。对于重金属离子的吸附，本试验还进行了温度影响因素的探讨。对于10 mL的20 mg/mL的硝酸铅溶液，在控制硅藻土用量为0.06 g、pH为5的前提下对10 mL的硝酸铅溶液(20 mg/mL)进行吸附试验，如图3所示。随着温度的升高，Pb2+的去除率下降，但不明显。可以发现，温度的升高对铅离子在硅藻土上的吸附影响随温度的升高而降低，但影响较小(去除率差<10%)，为此本试验条件下选择室温条件进行硅藻土对Pb2+的去除研究。

2.2碱浸工艺条件的优化

选择氢氧化钠质量分数(w)、碱浸时间(t)和碱浸温度(θ)作为影响Pb2+在硅藻土上的吸附影响因素，设计相应的三因素三水平正交试验，根据表1的因素水平条件，进行9组试验，得到正交试验数据，结果如表2所示。

图3　温度对硅藻土吸附Pb2+去除率吸附曲线

表2碱浸硅藻土吸附性能正交试验数据极差分析表

Tab.2Rangeanalysisofdiatomiteabsorptiontreatedwithsodiumhydroxide

序号ABC误差去除率/%1111167.432122276.583133386.514212365.785223186.026231270.677313271.338321363.789332178.45k176.8468.1867.2977.30k274.1675.4673.6072.86k371.1978.5481.2972.02R5.6510.3613.995.28

由表2发现，碱浸硅藻土对Pb2+的吸附过程中，对去除率影响最大的因素是反应时间，其次是反应温度，最后是浓度。最佳水平分别是3水平、3水平和1水平，即反应时间90 min，反应温度60 ℃，NaOH质量分数5%。研究结果发现硅藻土的碱浸最优提纯条件为反应时间90 min，反应温度60 ℃，NaOH质量分数5%。在此最优条件下对Pb2+进行去除效果验证试验，Pb2+去除率最大可达88.32%，而未经碱浸提纯处理的硅藻土对Pb2+的去除率仅为43.67%。

2.3碱浸提纯前后硅藻土表面形貌分析

硅藻土经过碱浸处理后其对Pb2+的去除率明显改善，为了考察碱浸处理过程中硅藻土的孔隙和表面形貌的变化情况，分别对碱浸提纯前后的硅藻土进行了扫描电镜分析，结果如图4所示。由图4可以发现硅藻土表面有大量的孔隙存在，这也是硅藻土能够具有较好吸附能力的主要原因。但从图4(a)也可以看出，未经处理的硅藻土样品表面有很多的杂质，这部分杂质的存在将硅藻土表面的大部分孔隙堵塞，这大大影响了硅藻土吸附能力。虽然未经处理的硅藻土样品对Pb2+的去除率可达43.67%，但如果硅藻土表面的杂质去除后，其对Pb2+的去除率将有显著提高。

(a) 硅藻土　(b) 碱浸硅藻土

图4(b)为碱浸提纯后的硅藻土电镜图片。经碱浸处理后，可以看出硅藻土表面的大部分孔隙结构清晰可见，表面的杂质减少，整体的通透性增加，这在很大程度上将很好地改善硅藻土的吸附性能。试验结果也可以看出，经碱浸处理的硅藻土对Pb2+的去除率比未经处理的硅藻土去除效果要好很多，可达88.32%。

3　结　论

硅藻土由于自身的特殊孔隙结构而具有较好的吸附性能。未经提纯的硅藻土样品对Pb2+有一定的去除率，但效果不明显，仅为43.67%。通过碱浸提纯处理后，硅藻土对Pb2+的去除效果明显提高，可达88.32%。比较发现所用硅藻土样品对Pb2+的去除效果可通过碱浸提纯方法明显改善。

硅藻土碱浸提纯较佳工艺条件为：反应时间90 min，反应温度60 ℃，氢氧化钠质量分数5%。

硅藻土经碱浸处理后可很好地对重金属进行吸附，该碱浸处理工艺简单、成本低廉、易于操作，是一种能有效提高硅藻土吸附性能的方法。

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Heavy metal ions adsorption onto diatomite treated with sodium hydroxide

XUCheng,ZHANGJian,LINa,PINGQingwei

( School of Light Industry and Chemical Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Adsorptionofheavymetalionswasstudiedusingdiatomitewithstrongadsorptionperformance,lowcostandabundantresources.Resultsshowedthatdiatomitewithoutdealthadpoorabsorptionofleadionsbutgoodabsorptionpropertyafterrefinedbyimmersedinsodiumhydroxide.Theoptimalconditionsofsodiumhydroxidetreatmentwerethesodiumhydroxidedosageof5%,at60 ℃andtreatmenttimeof90min.Undertheconditions,theremovalratecouldreachto88.32%whenthedosageofthetreateddiatomitewas0.06gat25 ℃andpHof5.SEMresultshowedthattheblockedholesonthesurfaceofthetreateddiatomitewereopenedandsomeimpuritywasremoved,ofwhichpermeabilitywasenhancedandabsorptionperformancewasimproved.

diatomite; heavy metal ions; treated with sodium hydroxide; absorption

2015-03-13.

国家自然科学基金青年基金资助项目(31200456)；江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室项目(201511).

徐 铖(1989-)，男，硕士研究生；通信作者：张 健(1981-)，男，副教授，E-mail:zhangjian@dlpu.edu.cn.

TB321

A

1674-1404(2016)05-0336-04

徐铖,张健,李娜,平清伟.碱浸硅藻土对重金属离子的吸附性能[J].大连工业大学学报,2016,35(5):336-339.

XU Cheng, ZHANG Jian, LI Na, PING Qingwei.Heavy metal ions adsorption onto diatomite treated with sodium hydroxide[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(5): 336-339.