堿浸硅藻土對(duì)重金屬離子的吸附性能

徐 　 鋮，　張 　 健，　李 　 娜，　平 清 偉

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連　116034 )

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堿浸硅藻土對(duì)重金屬離子的吸附性能

徐 鋮，張 健，李 娜，平 清 偉

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連116034 )

利用吸附性能強(qiáng)、價(jià)格低廉、資源豐富的硅藻土為吸附劑對(duì)重金屬離子鉛進(jìn)行吸附研究。研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)處理的硅藻土對(duì)鉛有一定的吸附效果但不明顯，通過簡單的堿浸處理工藝提純后，其對(duì)鉛的吸附效果明顯改善。通過單因素試驗(yàn)確定吸附的最佳條件，并利用正交試驗(yàn)確定堿浸工藝的最優(yōu)條件，最后利用SEM進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)果表明，最優(yōu)的堿浸提純工藝為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉，60 ℃ 處理90 min。對(duì)于10 mL的硝酸鉛溶液(20 mg/mL)，在堿浸硅藻土用量0.06 g、溫度25 ℃和pH為5的條件下進(jìn)行吸附，對(duì)Pb2+的去除率可達(dá)88.32%；SEM分析發(fā)現(xiàn)，堿浸提純后的硅藻土表面上的被堵塞的孔隙被打開，部分雜質(zhì)被去除，體系通透性增加，從而使得處理后的硅藻土吸附性能提高。

硅藻土；重金屬離子；堿浸；吸附性能

0　引　言

水體重金屬離子污染是指含有重金屬離子的污染物進(jìn)入水體對(duì)水體造成的污染。目前，國內(nèi)水體重金屬污染已十分突出。江河湖庫底質(zhì)污染嚴(yán)重，重金屬污染率高達(dá)81%。長江、珠江、黃河、松花江、淮河、海河等七大水系均遭受了不同程度的重金屬污染，根據(jù)七大水系中水質(zhì)狀況最好的長江的調(diào)查來看，其近岸水域已受到不同程度的重金屬污染，Zn、Pb、Cd、Cu、Cr等元素污染嚴(yán)重。城市河流有60%的河段出現(xiàn)了不同程度的重金屬超標(biāo)現(xiàn)象[1-3]。

現(xiàn)在含重金屬離子廢水處理方法主要有離子交換、化學(xué)沉淀、電動(dòng)力修復(fù)。在這些方法中，吸附法由于穩(wěn)定、可靠、簡單、低耗、低二次污染等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。吸附法作為一種重要的廢水處理方法，其關(guān)鍵在于吸附材料的選擇。針對(duì)含重金屬離子廢水處理，吸附材料必須有效地吸附并固定重金屬離子，同時(shí)具有來源豐富、價(jià)格便宜、易再生等優(yōu)勢(shì)[4-6]。

硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，其化學(xué)成分主要是SiO2[7]。硅藻土表面有大量的硅羥基及氫鍵，這些硅羥基及氫鍵同時(shí)存在于硅藻土眾多的微孔之中，賦予了硅藻土負(fù)電性能，這都為硅藻土吸附正電性物質(zhì)提供了理論基礎(chǔ)[8]。此外硅藻土具有耐酸、孔容孔徑大、比表面積大、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，因此可作為吸附材料吸附重金屬離子。文獻(xiàn)[11-12]也表明硅藻土可用于重金屬離子鎘的吸附處理。但硅藻土作為一種非金屬礦，未經(jīng)提純處理的原料雜質(zhì)含量較高，這些雜質(zhì)堵塞微孔的同時(shí)，還將占據(jù)硅藻土吸附點(diǎn)位，從而降低硅藻土的吸附效果，這在許多方面大大限制了硅藻土的應(yīng)用[13-14]。

硅藻土的選礦提純是提高硅藻土應(yīng)用性能的瓶頸問題[15]。目前硅藻土提純多采用酸浸和焙燒的方法[16]，但酸浸所用酸濃度一般為濃酸，處理過程中操作困難而且效果較一般。鑒于此，尋找新的硅藻土提純工藝對(duì)擴(kuò)大硅藻土的應(yīng)用無疑是有價(jià)值的。本文在前期研究結(jié)果[17-18]的基礎(chǔ)上，以硅藻土為原料，利用堿浸的方法提純硅藻土并優(yōu)化堿浸硅藻土的提純工藝，研究堿浸硅藻土對(duì)硝酸鉛溶液中鉛離子的吸附能力。利用SEM對(duì)硅藻土堿浸前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，通過對(duì)比，分析出造成堿浸前后吸附性能差異的原因。

1　試　驗(yàn)

1.1主要試劑與原料

硅藻土，吉林白山祿林木業(yè)有限公司；硝酸鉛、氫氧化鈉，分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。

1.2堿浸硅藻土的制備

用電子天平稱2 g硅藻土放入50 mL錐形瓶中，加入一定濃度的氫氧化鈉溶液，氫氧化鈉的用量為剛好浸沒硅藻土即可，攪拌速度控制在100～200 r/min，選取不同的反應(yīng)溫度和時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)后，分別用蒸餾水洗至溶液呈中性，過濾，放于電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥，冷卻，研磨，裝袋備用。

堿浸提純工藝過程中，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)、堿浸時(shí)間(t)、堿浸溫度(θ)是提純處理的主要影響因素[9]，采用正交試驗(yàn)對(duì)主要影響因素和水平進(jìn)行優(yōu)化。因素水平表見表1。

表1　堿浸提純正交試驗(yàn)表

1.3吸附性能測試

取一定質(zhì)量的樣品，加入到10 mL硝酸鉛溶液中，調(diào)節(jié)pH，控制反應(yīng)時(shí)間和溫度，利用紫外分光光度計(jì)測得吸光度，根據(jù)硝酸鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算去除率。吸附劑用量、pH、溫度均對(duì)吸附效果有一定影響，為了得到最優(yōu)吸附條件，以去除率為試驗(yàn)指標(biāo)設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)以得到最優(yōu)吸附條件。

2　結(jié)果分析與討論

2.1硅藻土對(duì)Pb2+吸附條件的確定

2.1.1硅藻土用量的確定

在pH為7、溫度為25 ℃時(shí)，對(duì)10 mL的硝酸鉛溶液(20 mg/mL)進(jìn)行硅藻土吸附試驗(yàn)，以確定硅藻土的最佳用量。如圖1所示。

圖1　硅藻土用量對(duì)Pb2+的吸附去除率的影響

由圖1可得出，隨硅藻土用量的增加，硅藻土對(duì)硝酸鉛的吸附量逐漸增加，本試驗(yàn)條件下，當(dāng)加入量為0.06 g時(shí)，硅藻土對(duì)Pb2+的去除率達(dá)到最大。隨后，再繼續(xù)增加硅藻土用量，硅藻土對(duì)Pb2+的去除率開始下降。因此，硅藻土對(duì)10 mL的硝酸鉛溶液(20 mg/mL)的最佳加入量為0.06 g，此時(shí)對(duì)Pb2+的去除率為17.58%。當(dāng)硅藻土用量大于0.06 g后，繼續(xù)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+的解吸效應(yīng)影響，從而使得Pb2+的去除率下降，對(duì)此方面的原因課題組將做進(jìn)一步的研究探討。

2.1.2pH對(duì)去除率的影響

前期的研究結(jié)果[10]發(fā)現(xiàn)，硅藻土在對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附過程受pH影響較大，為此本研究在吸附條件確定過程中對(duì)pH進(jìn)行了分析探討。在溫度為25%、硅藻土用量為0.06 g時(shí)，使用10 mL的硝酸鉛溶液(20 mg/mL)，研究pH對(duì)硅藻土吸附硝酸鉛溶液的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2　pH對(duì)硅藻土吸附Pb2+去除率的影響

由圖2發(fā)現(xiàn)，硅藻土對(duì)Pb2+的吸附同樣受pH影響。結(jié)果表明，pH在3～9去除效果較好，而在過酸或過堿條件下，Pb2+的去除效果都有一定程度的下降，這主要與體系的電離作用和孔隙腐蝕作用有關(guān)。在過酸條件下，Si-O的電離作用會(huì)影響硅藻土的電荷情況，從而影響其對(duì)Pb2+的吸附能力；而在過堿條件下，堿對(duì)硅藻土的堿蝕加劇，使得部分孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，此時(shí)硅藻土對(duì)Pb2+的去除率將下降。綜合考慮，本試驗(yàn)條件下選擇藻土的吸附pH為5。

2.1.3溫度對(duì)去除率的影響

硅藻土對(duì)染料的吸附受溫度影響較大，主要是由于染料分子在不同溫度下運(yùn)動(dòng)變化較大。對(duì)于重金屬離子的吸附，本試驗(yàn)還進(jìn)行了溫度影響因素的探討。對(duì)于10 mL的20 mg/mL的硝酸鉛溶液，在控制硅藻土用量為0.06 g、pH為5的前提下對(duì)10 mL的硝酸鉛溶液(20 mg/mL)進(jìn)行吸附試驗(yàn)，如圖3所示。隨著溫度的升高，Pb2+的去除率下降，但不明顯。可以發(fā)現(xiàn)，溫度的升高對(duì)鉛離子在硅藻土上的吸附影響隨溫度的升高而降低，但影響較小(去除率差<10%)，為此本試驗(yàn)條件下選擇室溫條件進(jìn)行硅藻土對(duì)Pb2+的去除研究。

2.2堿浸工藝條件的優(yōu)化

選擇氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)、堿浸時(shí)間(t)和堿浸溫度(θ)作為影響Pb2+在硅藻土上的吸附影響因素，設(shè)計(jì)相應(yīng)的三因素三水平正交試驗(yàn)，根據(jù)表1的因素水平條件，進(jìn)行9組試驗(yàn)，得到正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

圖3　溫度對(duì)硅藻土吸附Pb2+去除率吸附曲線

表2堿浸硅藻土吸附性能正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析表

Tab.2Rangeanalysisofdiatomiteabsorptiontreatedwithsodiumhydroxide

序號(hào)ABC誤差去除率/%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發(fā)現(xiàn)，堿浸硅藻土對(duì)Pb2+的吸附過程中，對(duì)去除率影響最大的因素是反應(yīng)時(shí)間，其次是反應(yīng)溫度，最后是濃度。最佳水平分別是3水平、3水平和1水平，即反應(yīng)時(shí)間90 min，反應(yīng)溫度60 ℃，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)硅藻土的堿浸最優(yōu)提純條件為反應(yīng)時(shí)間90 min，反應(yīng)溫度60 ℃，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%。在此最優(yōu)條件下對(duì)Pb2+進(jìn)行去除效果驗(yàn)證試驗(yàn)，Pb2+去除率最大可達(dá)88.32%，而未經(jīng)堿浸提純處理的硅藻土對(duì)Pb2+的去除率僅為43.67%。

2.3堿浸提純前后硅藻土表面形貌分析

硅藻土經(jīng)過堿浸處理后其對(duì)Pb2+的去除率明顯改善，為了考察堿浸處理過程中硅藻土的孔隙和表面形貌的變化情況，分別對(duì)堿浸提純前后的硅藻土進(jìn)行了掃描電鏡分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以發(fā)現(xiàn)硅藻土表面有大量的孔隙存在，這也是硅藻土能夠具有較好吸附能力的主要原因。但從圖4(a)也可以看出，未經(jīng)處理的硅藻土樣品表面有很多的雜質(zhì)，這部分雜質(zhì)的存在將硅藻土表面的大部分孔隙堵塞，這大大影響了硅藻土吸附能力。雖然未經(jīng)處理的硅藻土樣品對(duì)Pb2+的去除率可達(dá)43.67%，但如果硅藻土表面的雜質(zhì)去除后，其對(duì)Pb2+的去除率將有顯著提高。

(a) 硅藻土　(b) 堿浸硅藻土

圖4(b)為堿浸提純后的硅藻土電鏡圖片。經(jīng)堿浸處理后，可以看出硅藻土表面的大部分孔隙結(jié)構(gòu)清晰可見，表面的雜質(zhì)減少，整體的通透性增加，這在很大程度上將很好地改善硅藻土的吸附性能。試驗(yàn)結(jié)果也可以看出，經(jīng)堿浸處理的硅藻土對(duì)Pb2+的去除率比未經(jīng)處理的硅藻土去除效果要好很多，可達(dá)88.32%。

3　結(jié)　論

硅藻土由于自身的特殊孔隙結(jié)構(gòu)而具有較好的吸附性能。未經(jīng)提純的硅藻土樣品對(duì)Pb2+有一定的去除率，但效果不明顯，僅為43.67%。通過堿浸提純處理后，硅藻土對(duì)Pb2+的去除效果明顯提高，可達(dá)88.32%。比較發(fā)現(xiàn)所用硅藻土樣品對(duì)Pb2+的去除效果可通過堿浸提純方法明顯改善。

硅藻土堿浸提純較佳工藝條件為：反應(yīng)時(shí)間90 min，反應(yīng)溫度60 ℃，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%。

硅藻土經(jīng)堿浸處理后可很好地對(duì)重金屬進(jìn)行吸附，該堿浸處理工藝簡單、成本低廉、易于操作，是一種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.

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(31200456)；江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(201511).

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

TB321

A

1674-1404(2016)05-0336-04

徐鋮,張健,李娜,平清偉.堿浸硅藻土對(duì)重金屬離子的吸附性能[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),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.