剥离型膨润土对水中共存Pb...、Cd-(2+)的吸附研究_何春彦.pdf

-80-第45卷第6期 非金属矿 Vol.45 No.62022年11月 Non-Metallic Mines November,2022剥离型膨润土对水中共存Pb2+、Zn2+、Cd2+的吸附研究何春彦 莫 伟*黄钰华 苏秀娟 封金鹏（广西大学 资源环境与材料学院，广西 南宁 530004）摘 要 为提高膨润土对水中共存重金属阳离子的吸附效果，采用物理方法对膨润土进行剥离处理后用于水中共存 Pb2+、Zn2+、Cd2+的吸附处理，考察了吸附时间、溶液初始质量浓度和溶液初始 pH 值对吸附效果的影响，并通过 X 射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）、X 射线光电子能谱（XPS）等表征手段探究其对重金属离子的作用机制。结果表明，剥离处理有利于提高膨润土对水中 Pb2+、Zn2+的吸附；在吸附剂为 0.5 g，时间为 10 min，溶液初始质量浓度为 350 mg/L，体系 pH 值为 5.14 的条件下，剥离型膨润土对 Pb2+、Zn2+、Cd2+的最大吸附量可分别达到 26.72 mg/g、16.44 mg/g、16.83 mg/g；剥离型膨润土对上述离子的吸附形式主要有离子交换作用、静电作用和表面配位作用。本研究为利用剥离型膨润土高效去除水中共存阳离子型重金属离子提供了新思路。关键词 剥离型膨润土；重金属离子；吸附；作用机制中图分类号：TQ424 文献标志码：A 文章编号：1000-8098(2022)06-0080-06Adsorption of Pb2+,Zn2+,Cd2+Coexisting in Water by Exfoliated BentoniteHe Chunyan Mo Wei*Huang Yuhua Su Xiujuan Feng Jinpeng(School of Resources,Environment and Materials,Guangxi University,Nanning,Guangxi 530004)Abstract In order to improve the adsorption effect of bentonite on coexisting cationic heavy metals in water,the bentonite was exfoliated by physical method and then was used for the adsorption treatment of coexisting Pb2+,Zn2+and Cd2+in water.In this paper,the effects of adsorption time,initial solution concentration and initial pH value on the adsorption effect were investigated,and the mechanism of its action on heavy metal ions was explored by XRD,FTIR and XPS.The results showed that the adsorption of Pb2+and Zn2+by bentonite could be improved through exfoliating treatment.Under the conditions of adsorbent dosage of 0.5 g,time of 10 min,initial concentration of 350 mg/L and pH value of 5.14,the maximum adsorption amount of Pb2+,Zn2+and Cd2+by exfoliated bentonite could reach 26.72 mg/g,16.44 mg/g,16.83 mg/g,respectively.The adsorption forms of the above ions by exfoliated bentonite mainly included ion exchange,static electricity and surface coordination.This Research provided a new idea for the efficient removal of cationic heavy metal ions in water by exfoliated bentonite.Key words exfoliated bentonite;heavy metal ions;adsorption;mechanism of action天然膨润土是以蒙脱石为主要矿物组分的黏土岩，蒙脱石的晶体结构特征决定了膨润土的物化性 能1-2。蒙脱石是一种 21 型的层状硅酸盐矿物，其结构单元是由两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体构成3-6，其中，四面体中 Si4+及八面体中 Al3+可被低价阳离子置换而造成层板的永久电负性，需要吸附部分阳离子（如 Ca2+、Na+、K+等）至层间以达到电荷平衡7。蒙脱石层间所吸附的阳离子结合力较弱，在一定条件下可被其他阳离子交换取代，因此蒙脱石具有优异的阳离子交换性能8。此外，膨润土比表面积大，表面能高，吸附性能好，因此在水处理领域具有广泛的应用前景。天然膨润土的吸附性能普遍较差，需通过酸改性、有机改性等方法提高其吸附性能。罗平等9研究酸改性膨润土对 Cr6+的吸附性能，结果表明，酸改性膨润土对 Cr6+的吸附量为 0.047 mg/g，较原土增加 1 倍，试验数据符合准二级动力学方程。董华绘等10研究酸改性膨润土对重金属吸附性能，结果表明，酸改性膨润土对 Cu2+、Cd2+、Pb2+、Hg2+、Ni2+和Zn2+的吸附量减小。项念念等11研究氨基化膨润土对 Cu2+、Ni2+、Cd2+的吸附性能，结果表明，氨基化膨润土对 Cu2+、Ni2+、Cd2+的饱和吸附容量分别达到 450 mmol/kg、300 mmol/kg、230 mmol/kg，吸 附 能力均明显优于原土。陈槐等12研究改性膨润土（DTAB-Bent）对铀的吸附性能，结果表明，改性后膨润土比表面积减小，试验数据符合 Freundlich 等温模型。Ahmed 等13研究纳米膨润土对 Fe（III）、Zn（II）和 Ni（II）吸附性能，结果表明，相同试验条件下，纳米膨润土较原土对 Fe（III）、Zn（II）和 Ni（II）的去除能力更强。Sahan 等14研究富含 ESH 基团的膨润土（BSH）去除二元和单一溶液中的 Pb（II）和 Cu（II），收稿日期：2022-09-24基金项目：国家自然科学基金（51664001）。*通信作者，E-mail：。-81-两种金属离子的吸附数据均符合伪二级动力学模型和 Freundlich 等温模型方程，离子存在吸附竞争。上述改性方法在一定程度上能够提高膨润土对污染物的吸附性能，但存在改性成本高、过程复杂、材料易损失浪费15、改性后易带来二次污染等不足。因此，本试验拟对膨润土进行物理剥离预处理后用于水中共存 Pb2+、Zn2+、Cd2+的吸附研究，采用 X 射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）等测试分析手段表征膨润土剥离前后样品的晶体结构及表面官能团，考察了过程因素对膨润土剥离前后样品吸附水中共存重金属阳离子影响规律，并结合 XRD、FTIR、X 射线光电子能谱（XPS）等探究其对水中共存重金属阳离子的作用机制，以期为膨润土吸附材料在含多种重金属阳离子废水中的工业应用提供参考。1 试验部分1.1 原料 试验用膨润土样品为辽宁建平某企业的干法提纯膨润土，经 2 h 干燥，过 200 目（74 m）筛，混匀、缩分后装袋备用。该样品主要物化性能为：蒙脱石质量分数 88.654%，阳离子交换容量 121 mmol/100 g，膨胀容 5 mL/g，胶质价 11 mL/3 g。Zn(NO3)26H2O、Cd(NO3)24H2O、Pb(NO3)2、HNO3、NaOH，购自天津大茂化学试剂厂，均为分析纯；铅、锌、镉、砷等标准溶液购自国家有色金属及电子材料分析测试中心；试验所用水均为超纯水。1.2 试验方法 剥离型膨润土的制备：分别称取（15.000 00.000 5）g 膨润土试样（原土）投入烧杯，加入 485 mL 超纯水配制成质量分数为 3%的矿浆，置于65 超声水浴锅中，在40 r/min低速搅拌下超声作用 30 min 后，再于 4 000 r/min 下高速搅拌 10 min，随后于 4 000 r/min 下高速离心 20 min 实现固液分离，取固体样于 70 下烘干，磨样、过 200 目筛，即得剥离型膨润土（简称剥离土）。模 拟 废 水 配 制：称 取 1.59 g Pb(NO3)2、4.58 g Zn(NO3)26H2O 及 2.69 g Cd(NO3)24H2O 投入容量瓶中，加入超纯水并定容至 1 000 mL，配制成铅、锌、镉离子质量浓度均为 1 000 mg/L 的标准储备溶液，滴加少量稀硝酸，防止金属离子析出，溶液初始 pH 值为5.14。试验采用的一系列不同初始质量浓度的混合溶液均由上述储备液稀释得到。吸附试验：批次称取 0.5 g 剥离前后膨润土，分别投入装有 50 mL 不同初始质量浓度混合溶液的锥形瓶中，用 1 mol/L HNO3调节溶液初始 pH 值，在室温（25）下于水浴振荡器上振荡一定时间后，离心分离，取上清液经 0.45 m 滤膜过滤，采用电感耦合等离子体（ICP）光谱仪测定滤液中各离子的剩余质量浓度，并计算各离子去除率及吸附量，根据吸附结果选取最优条件因素。吸附容量和去除率分别按式（1）和式（2）计算。qt=(c0-ct)/mV （1）R=(c0-ct)/c0 100%（2）式中：qt为吸附时间为 t 时单位质量膨润土的吸附量，mg/g；c0为废水中吸附质的初始质量浓度，mg/L；ct为吸附时间为 t 时，废水中吸附质的剩余质量浓度，mg/L；m 为吸附剂的质量，g；V 为废水的体积，L；R 为去除率，%。1.3 样品表征 采用德国 D8 Advance X 射线衍射(XRD)仪测试分析样品的晶体结构及物相，Cu 靶，K 射线，波长 0.154 18 nm，管电压 40 kV，管电流 40 mA，扫描速度为 4（）/min，步长为 0.02，扫描范围为 3 70，连续扫描。采用美国 NicoletiS5 傅里叶红外光谱(FT-IR)仪测试分析样品表面官能团，KBr 压片法，波数 4004 000 cm-1。采用德国 XPS/INA-X X射线光电子能谱(XPS)仪测试分析样品表面元素及化学态。2 结果与讨论2.1 膨润土剥离前后样品的表征 采用 XRD、FTIR对膨润土剥离前后样品进行测试分析，结果见图 1。图 1 膨润土剥离前后样品的XRD(a)、FTIR(b)图由图 1a 可知，剥离型膨润土在 2 为 5.78、19.756、35.022、54.231、61.797 处分别出现蒙脱石（001）、（100）、（110）、（210）及（300）典型晶面特征衍射峰，说明剥离处理并未破坏其晶体结构，蒙脱石仍具备原有的物化性能。剥离型膨润土较原土（001）晶面特征衍射峰发生一定程度的右移，底面间距 d（001）略有减小，从 1.52 nm 减小至 1.50 nm，除（001）晶面外，其他晶面衍射峰均出现不同程度宽化及弱化现象。可见，膨润土经剥离处理后层状结构受到一定程度破坏，颗粒厚度变薄，蒙脱石片层在 c 轴方向上的有序性堆砌被破坏，这与其他研究结果一致16-17。由图 1b 可知，剥离型膨润土在 3 627 cm-1处的吸收峰为八面体中 Si-OH 伸缩振动吸收峰，0 10 20 30 40 50 60 702/()剥离后原土3