基于单因素法的蛭石对模拟废水中铜离子的吸附性能

王 凯

(国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司，新疆 哈密 839000)

蛭石是一种天然、无毒硅酸盐矿物质，晶体结构为单斜晶系，外形类似云母，具有离子交换能力[1-3]。2000年，世界的蛭石总产量超过50万t。最主要的出产国是中国、南非、澳大利亚、津巴布韦和美国[4-5]。

蛭石具有优良的吸附、阳离子交换和热膨胀性能，被广泛应用于建筑、环保、农牧业和园艺等领域[6]。蛭石对环境不存在危害，主要作为初级和低附加值材料应用，资源没有得到充分利用[7-8]。而新疆尉犁且干布拉克蛭石矿是世界上少有的几个超大型蛭石矿床之一，研究蛭石的性能及其在工业领域，特别是吸附领域的应用对于如何开发利用好这种非金属矿具有重要意义[9-10]。

1 实验试剂与仪器

1.1 试剂

实验所用试剂如表1所示。

表1 主要实验试剂Tab.1 The main chemical reagents

1.2 仪器

实验所用仪器见表2。

表2 主要实验仪器Tab.2 The main equipments

2 实验方法

2.1 模拟废水的配制

准确称取0.156 2 g硫酸铜(CuSO4·5H2O)，用水溶解后，移入1 000 mL容量瓶中，用水稀释并定容，摇匀。得到质量浓度为40 mg/L的模拟含铜废水。

2.2 静态吸附试验

在一定浓度的废水中，加入一定量的蛭石粉，调节废水pH值，在一定水温、搅拌速度下搅拌一定时间，离心分离，用分光光度法测定上清液中残留的Cu2+浓度，计算蛭石对废水中Cu2+的去除率。

2.3 重金属离子吸附率的计算方法

实验中，蛭石作为吸附剂吸附重金属离子的吸附率可由式(1)计算得出：

η=(C0-C)·100%/C0

(1)

式中：η——蛭石对重金属离子的吸附率，%；C0——吸附前溶液含重金属离子的浓度，mol/L；C——吸附后溶液含重金属离子的浓度，mol/L。

3 结果与讨论

3.1 投加量对蛭石吸附Cu2+的影响

分别称取0.05 g、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g和0.5 g共6组蛭石粉于50 mL锥形瓶，加入20 mL、pH值为7的40 mg/L的Cu2+溶液，分别于40 ℃下在水浴恒温振荡器中往复振荡120 min；取出后，于3 500 r/min下离心10 min，取上清液，测定浓度，计算吸附率。绘制吸附率—投加量曲线，如图1。

图1 蛭石投加量对Cu2+去除率的影响Fig.1 Influence of vermiculite additive on the adsorption rate of Cu2+

由图1可知，随着蛭石用量的增加，Cu2+的去除率逐渐增加。投加量为15%时，Cu2+的吸附率趋于平缓，达到93%。之后投加量增加引起的吸附率变化幅度减弱，基本达到吸附平衡。

3.2 pH值对蛭石吸附Cu2+的影响

称取0.3 g蛭石于50 mL的锥形瓶中，加入20 mL、pH值分别为4、5、6、7、8和9的40 mg/L的Cu2+溶液，于40 ℃下在水浴恒温振荡器中往复振荡120 min；取出后，于3 500 r/min下离心10 min，取上清液，测定浓度，并计算去除率。绘制吸附率—pH值曲线，如图2。

图2 pH值对Cu2+去除率的影响Fig.2 Influence of pH on the adsorption rate of Cu2+

由图2可知，蛭石对Cu2+的吸附率随着pH值的增大，先增加后减小。当pH≤5时，Cu2+的吸附率随着pH值的增大而增加，pH值=5～7时的吸附率达到最大，为94%左右；pH值>7以后，蛭石对Cu2+的吸附率呈下降趋势。这是因为，蛭石在酸性条件下凝聚性强，吸附后絮凝沉淀易分离，在碱性条件下絮凝性下降，造成分离困难，而且在强碱性条件下，生成的Cu(OH)2沉淀可能会堵塞一部分蛭石内部的小孔，造成比表面积降低，吸附能力也就降低了。pH值在中性或弱酸性条件下对Cu2+吸附效率达到94.03%的最大值。

3.3 温度对蛭石吸附Cu2+的影响

称取0.3 g蛭石于50 mL锥形瓶中，加入20 mL、pH值为7.0的40 mg/L的Cu2+溶液，分别于20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃和70 ℃下在水浴恒温振荡器中往复振荡120 min；取出后，于3 500 r/min下离心10 min，取上清液，测定浓度，并计算去除率。绘制吸附率—温度曲线，如图3。

由图3可以看出，蛭石对Cu2+的去除率随水温的升高先增大后减小，先增大是因为升高水温会使Cu2+的热运动增加，从而与蛭石接触的机会变频繁。同时，在高温下蛭石的表面膨胀也有利于吸附。但是由于吸附反应是放热反应，太高水温不利于吸附的进行，因此，Cu2+的去除率会随水温的持续升高而下降。从图3可以看出，温度为40 ℃时，蛭石对铜离子的吸附率为95%以上。

图3 温度对Cu2+去除率的影响Fig.3 The influence of temperature on the adsorption rate of Cu2+

3.4 吸附时间对蛭石吸附Cu2+的影响

称取0.3 g蛭石于50 mL的锥形瓶中，加入20 mL、pH值为7.0的40 mg/L的Cu2+溶液，分别于40 ℃下在水浴恒温振荡器中往复振荡5 min、10 min、30 min、60 min、120 min、150 min；取出后，于3 500 r/min下离心10 min，取上清液，测定浓度，并计算去除率。绘制吸附率—吸附时间曲线，见图4。

图4 时间对Cu2+去除率的影响Fig.4 The influnence of time on the adsorption rate of Cu2+

由图4可知，蛭石对Cu2+的吸附随着时间的延长而增加，一定时间后吸附达到平衡。因此，吸附时间对蛭石吸附Cu2+的影响较明显，当吸附时间为120 min时，去除率为99.4%；吸附时间为150 min时，吸附率为99.5%，与吸附时间为120 min相差不大，证明已基本达到吸附平衡。这是因为，在吸附初期，随吸附时间的延长，重金属离子主要在固体物质的分子表面和孔内表面与其结合；而在吸附后期，受扩散控制，重金属离子主要在固体物质的深孔内界面与其结合，故吸附速率增长速度减缓。为了实际操作中减少废水与吸附剂的接触时间，从而增加废水处理量，采用120 min作为吸附Cu2+的最佳时间。

4 结论

通过单因素试验对蛭石吸附Cu2+的测定，从投加量、pH值、吸附温度、吸附时间这四方面考察了各因素的影响情况，对最佳吸附条件的确定得出如下结论：当投加量15%；pH值=7.0；吸附温度40 ℃；吸附时间120 min时，对铜离子的吸附率高达99.5%以上。