玻璃轻石吸附铜离子的研究

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(1.南京林业大学淮安校区，江苏淮安，223003；2.兰州大学淮安高新技术研究院，江苏淮安，223003)

玻璃是人们日常生活中消费量巨大的物品，使用过的废玻璃，由于没有得到有效的回收和利用，大多成为充斥城市垃圾场的污染物，既破坏环境又浪费资源。将各种废玻璃破碎后,通过添加不同的助剂，混合搅拌、高温焙烧，冷后形成一种多孔、轻质，具有多种优越功能和广泛用途的环保无机材料——玻璃轻石。玻璃轻石是一种人工合成的硅酸盐材料，玻璃轻石为无机氧化混合物，主要的化学成份为无机二氧化硅[1]。近年来，玻璃轻石在园艺及城市绿化中工程中得到广泛的应用，同时也通过建立生态浮岛用于生活、工业、养殖业等污水的处理[2]。在渔业养殖业中，在水体加入大量硫酸铜可抑制绿藻的生成和减少绿藻的发生，导致养殖水体中积累了一定量铜离子[3]。铜虽然是人体必需的基本矿物质之一，但同时也是一种有毒重金属，如果水体中过量Cu2+进入到我们食物链，将对人类的健康造成严重危害[4]。因此，有必要研究从水中去除铜离子, 已有文献报道了许多新的方法被用来从水溶液中除去Cu2+。例如：离子交换、溶剂萃取、化学沉淀、吸附等等[5]。吸附法因其毒性低、成本低而备受关注。有许多不同的吸附剂，如：凹凸棒土[6-7]、硅藻土[8]、蒙脱土[9]等吸附铜离子，但大部分吸附剂的吸附容量并不是很高。因此，寻找高吸附容量的吸附剂显得尤为重要。本文旨在研究玻璃轻石对水体中铜离子的吸附行为。

1 实验部分

1.1 试剂

CuSO4·5H2O(分析纯)、浓硫酸(分析纯)、十二烷基硫酸钠(SLS, 分析纯)、铜试剂(二乙基二硫代氨基甲酸钠)(分析纯)，分析纯试剂均购自国药集团化学试剂有限公司；玻璃轻石(200目，江苏晶瑞特有限公司生产)。

1.2 仪器

721型可见分光光度计(上海佑科仪表有限公司)；PXS-450精密离子计(上海康仪仪器)；TDZ4-WS台式低速离心机(湖南湘仪实验室仪器开发有限公司)；85-2型恒温磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司)；电子分析天平(上海菁海仪器有限公司)。

1.3 除铜实验

在200mL烧杯中取含铜水样50 mL, 用少量的0.1 mol/L H2SO4或0.10 mol/L 的NaOH溶液调节到一定的pH值后加入一定量的玻璃轻石, 在恒温条件搅拌一定的时间后，将溶液倒入离心管中，以2500 r/min离心5 min后，取上层清液。测定溶液中Cu2+的浓度，于离心机中离心5分钟后取上层的清液25 mL, 用铜试剂显色后测吸光度。Cu2+的吸附率(η)根据以下的公式(1)进行计算, 而Cu2+的吸附容量(qe)根据公式(2)进行计算。

(1)

(2)

其中：Co指Cu2+的起始浓度(mg/L), Ce指吸附后水相的浓度(mg/L), V 溶液的体积(L),m 为玻璃轻石的重量(g)。

1.4 分析方法

配置浓度为：0、0.4、1、1.6、2.0、2.4 mg/L的铜标准溶液, 分别移取25 mL待测含铜溶液于50 mL 容量瓶中, 依次加入1.0 mL 0.2 %二乙氨基二硫代甲酸钠溶液、5.0 mL 0.25 mol/L 十二烷基硫酸钠溶液, 用0.1mol/L NaOH 溶液调至pH值= 8 ，以水稀释至刻度，用721 型分光光度计在波长442 nm处测定其吸光度，绘制标准曲线，未知溶液的浓度通过标准曲线法进行计算。

2 结果与分析

2.1 吸附时间对Cu2+吸附的影响

表1 吸附时间对Cu2+吸附率的影响

分别移取10 mg/L 的Cu2+溶液50 mL于6 个200 mL 的烧杯中，调节到pH值=5后, 每个烧杯中加入0.1 g 玻璃轻石，然后在电磁搅拌上恒温搅拌。分别在1、5、10、20、30、60 min取出烧杯，将溶液倒入离心管中，使用离心机以2500 r /min离心5 min后，取上层清液25 mL, 测定溶液中Cu2+的浓度，计算吸附率，结果见表1。结果表明：吸附平衡很快,在20 min 后吸附达到平衡，因此最佳吸附时间为20 min。

2.2 pH 值对Cu2 +吸附率的影响

在6个200 mL 的烧杯中分别移取pH值为：1、2、 3、4、5、6 的10 mg/L 的Cu2+溶液50 mL中，加入0.1 g 玻璃轻石后在电磁搅拌上恒温搅拌20 min后。将溶液倒入离心管中，以2500 r/min离心5 min后，取上层清液。测定溶液中Cu2+的浓度，计算吸附率，结果见表2。结果表明：水样中Cu2+的吸附率随pH值的增大而增加，当pH值小于2, 吸附率很低,原因是溶液中的大量H+会与Cu2+竞争吸附导致；当pH值大于4，继续增加pH值，Cu2+吸附率变化不大，而高pH值吸附率高的原因可能是铜以Cu(OH)+形式存在，多价金属离子的水解离子比未水解的金属离子更容易被溶液中的固体粒子吸附[10]。因此选择pH值为5，进行后续的试验。

表2 pH值对Cu2+吸附率的影响

2.3 玻璃轻石的用量对Cu2+吸附率的影响

在6个200 mL的烧杯中在分别移取浓度为10 mg/L 的Cu2+溶液各50 mL，调节pH值为5后，分别加入玻璃轻石 0.05 g、0.1 g 、0.3 g 、0.5 g 、1.0 g 、2.0 g，恒温搅拌20 min后, 离心分离两相，移取25 mL溶液显色后测吸光度，并计算吸附率。从结果可以得出，玻璃轻石的质量达到0.1 g 时Cu2+吸附率已经能够达到92.9%。当轻石的量超过0.5 g 时，继续增加轻石的量，吸附率变化不大。从经济的角度来考虑的话，玻璃轻石的最合适的使用量为2-10 g/L。

2.4 Cu2+的初始浓度对吸附率的影响

初始浓度分别为：10、15、20、25、30、40 mg/L 的50 mL的Cu2+溶液中加入0.1 g 玻璃轻石，用0.1 mol/L的NaOH调节pH值为5，在电磁搅拌上恒温搅拌20 min后，测吸光度。结果显示：初始浓度从10 mg/L增加到20 mg/L，Cu2+的吸附率保持不变，随着浓度的增加，Cu2+的吸附率略有下降。因此在实际处理废水的时候，对于浓度过高的水样，建议先进行稀释后再用玻璃轻石处理，效果更好。

表3 玻璃轻石的量对Cu2+吸附率的影响

表4 Cu2+的初始浓度对Cu2+吸附率的影响

2.5 玻璃轻石吸附Cu2+的等温线

玻璃轻石吸附Cu2+的等温线可根据Langmuir等温方程(3) 和Freundlich等温方程(4)采用最小二乘法进行线形拟合。

(3)

logqe=logm+nlog

(4)

式中：qe为吸附容量，qm为饱和吸附容量，Ce为吸附后溶液的浓度，b 为吸附系数， m和n为吸附特征常数。

线性拟合的结果见表5，从表5中可以看出，用Freundlich 等温线拟合的线性相关系数大于用Langmuir等温线拟合的线性相关系数。进一步说明用Freundlich 吸附等温方程能更好地描述吸附过程, 这意味着Cu2+在玻璃轻石上的吸附倾向于均匀介质表面的多层吸附。

3 结论

玻璃轻石对Cu2+有很强的吸附能力，吸附在20分钟内可快速建立平衡，溶液的pH值对吸附有很大的影响，高pH值有利于铜离子的吸附，对于酸度过高的水样，需要中和处理后再进行吸附。玻璃轻石的吸附能力随水样Cu2+初始浓度的增加而轻微有所下降。吸附过程能很好地用Freundlich方程进行线性拟合。

表5 Langmuir等温方程和Freundlich等温方程线性拟合结果比较