郝艷,吳小蓮,莫測輝,李彥文,黃獻培,屈相龍,向壘,梁嘉華
(1.暨南大學 環(huán)境工程系,廣東省高校水土環(huán)境毒害性污染物防治與生物修復重點實驗室,廣東 廣州,510632)
黃藥學名為黃原酸鹽,又稱為烴基二硫代碳酸鹽,化學通式為ROCSSMe,其中Me為Na+或者K+。黃藥被大量用于金屬礦山選礦中作為浮選捕收劑[1?2],最終在尾礦庫中形成高濃度殘留,可通過地下滲漏、地表溢流等途徑,進入礦區(qū)周邊或流域的環(huán)境中,造成水體、土壤和農(nóng)作物污染[3],對生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成嚴重威脅[4?7]。環(huán)境中黃藥屬于中?高毒污染物[8],對生物的神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)和肝臟等器官均有損害,甚至在較低質(zhì)量濃度(5 mg/L)下即可造成大部分魚類死亡。而且黃藥能夠與礦山環(huán)境中重金屬發(fā)生相互作用而對其環(huán)境產(chǎn)生擴大危害[9]。目前國內(nèi)外對于金屬礦山環(huán)境問題的研究主要針對重金屬[10?15],而對于黃藥的環(huán)境行為及其與重金屬相互作用的研究很少[16?20],對于黃藥?重金屬復合污染體系吸附行為的研究尚未見報道。為此,本文作者以廣泛使用的蒙脫石為吸附劑進行靜態(tài)吸附試驗,探討乙基鉀黃藥?鉛復合污染體系的吸附平衡與動力學特征,以期為黃藥?重金屬復合污染環(huán)境的治理提供科學依據(jù)。
實驗材料為:吸附劑蒙脫石由華南理工大學提供,其粒徑<2 μm,比表面積為700 m2/g,陽離子交換量為86 mmol/(100 g);乙基鉀黃藥(乙基黃原酸鉀)購自上海潤捷化學試劑有限公司,純度≥95.0%;Pb標準品購自鋼鐵研究總院國家鋼鐵材料測試中心,介質(zhì)為10%硝酸;實驗用水為高純水。
儀器為:AA?7000原子吸收分光光度計(島津);雷磁PHS?3C精密pH計;TGL?16G型高速臺式離心機;SHZ?82恒溫震蕩器;TU?1810 PC型紫外可見分光光度計。實驗所用器皿主要為聚丙烯塑料管;玻璃儀器均以硝酸(1+5)浸泡過夜,用水反復沖洗,最后用高純水沖洗干凈后烘干備用。
1.2.1 反應時間對吸附效果的影響
吸附實驗參照 OECD guideline 106 批平衡方法進行[21]。稱取蒙脫石0.250 0 g置于50 mL 聚丙烯塑料管中,分別加入25 mL的黃藥溶液(處理1)、Pb2+溶液(處理2)、Pb2++黃藥溶液(處理3)中,同時設置不含蒙脫石作為對照處理。黃藥和Pb2+的質(zhì)量濃度分別為 20 mg/L和 100 mg/L。在 25 ℃下恒溫振蕩(250 r/min),分別在10,20,30,40和60 min時采集樣品,離心10 min(轉(zhuǎn)速為6 000 r/min)。取處理3及其對照處理的上清液1 mL于試管中稀釋,作為黃藥備測液。將剩余上層溶液移至容量瓶中,加入濃硝酸進行溶解,用高純水定容后過孔徑為0.45 μm的濾膜備測。處理1和處理2及其對照處理直接取上清液備測。Pb含量用原子吸收分光光度法測定,黃藥含量用紫外可見分光光度計測定(波長為301 nm)[22]。每次實驗均重復做3 次(下同)。
蒙脫石對黃藥或Pb2+的吸附量由以下公式進行計算:
其中:qe為吸附量,mg/kg;ρo為初始質(zhì)量濃度,mg/L;ρe為平衡質(zhì)量濃度,mg/L;V為溶液體積,L;M 為吸附劑質(zhì)量,g。
1.2.2 初始質(zhì)量濃度對吸附效果的影響
設置黃藥質(zhì)量濃度為20,40,60,80和100 mg/L,Pb2+初始質(zhì)量濃度分別為0和100 mg/L,振蕩60 min,參照上述方法進行實驗和分析;設置Pb2+質(zhì)量濃度為50,100,200,400,600和800 mg/L,黃藥質(zhì)量濃度分別為0和20 mg/L,振蕩60 min,參照上述方法進行實驗和分析。
1.2.3 pH對吸附效果的影響
設置Pb2+質(zhì)量濃度為100 mg/L,黃藥質(zhì)量濃度分別為0和20 mg/L,以3%鹽酸溶液或0.5 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH分別為3,5,7,9和11,參照上述方法進行實驗和分析,并測定平衡溶液pH。
1.2.4 蒙脫石用量對吸附效果的影響
設置蒙脫石用量為0,0.01,0.05,0.10,0.20和0.50 g,Pb2+質(zhì)量濃度為100 mg/L,黃藥質(zhì)量濃度分別為0和20 mg/L,參照上述方法進行實驗和分析。
原子吸收分光光度法操作條件如下:波長為283.3 nm;狹縫寬為0.7 mm;點燈方式為BGC-D2;燈電流為 10 mA;火焰類型為 Air-C2H2;燃氣流量為 2.0 L/min;助燃氣流量為15.0 L/min。
測定質(zhì)量濃度為1,2,5,10和20 mg/L的黃藥標準溶液及0.01,0.05,0.10,0.50,1.00,5.00和10.00 mg/L的Pb2+標準溶液并進行線性回歸分析,相關(guān)系數(shù)均大于0.999 5。
2.1.1 反應時間和初始質(zhì)量濃度對吸附作用的影響
黃藥在水溶液中可因水解、光解等而被降解[16]。因此,為了考察水溶液中黃藥的自然降解情況,設置了不投加蒙脫石作為對照處理。反應時間和黃藥初始質(zhì)量濃度對黃藥平衡質(zhì)量濃度的影響分別見圖1和圖2。結(jié)果表明:隨著振蕩時間的延長,不投加蒙脫石對照處理和投加蒙脫石處理溶液中黃藥的質(zhì)量濃度均呈逐漸降低趨勢,前者在10 min和120 min時降解率分別為6.1%和11.2%,后者分別為3.9%和8.0%(圖1)。在本實驗過程中黃藥的降解程度較低,在60 min內(nèi)降解率均低于10%。
投加蒙脫石處理溶液中黃藥的質(zhì)量濃度高于不投加蒙脫石對照處理的質(zhì)量濃度,但相差很小(<4%)(見圖1和圖2)。這說明投加蒙脫石形成的懸濁液降低了黃藥的光解,同時也說明蒙脫石對黃藥的吸附作用很微弱。這是由于乙基鉀黃藥在水溶液中本身帶負電荷(ROCS2?)[23],而蒙脫石本身也帶負電荷[24]。但活性炭或改性黏土礦物對黃藥具有較強的吸附能力[17?19]。
圖1 反應時間對黃藥平衡質(zhì)量濃度的影響Fig.1 Effect of time on xanthate equilibrium concentration
圖2 黃藥初始質(zhì)量濃度對平衡質(zhì)量濃度的影響Fig.2 Effect of initial concentration on equilibrium concentration
2.1.2 pH和蒙脫石投加量對吸附作用的影響
pH和蒙脫石投加量對吸附作用的影響分別見圖3和圖4。從圖3 和圖4可見:pH對溶液中黃藥的降解有明顯影響。pH越小越有利于黃藥的降解[16]。對于不投加蒙脫石對照處理,當pH由11降低到5時,黃藥的降解率由5%上升為20%;而當pH下降到3時,黃藥的降解率達到 100%。投加蒙脫石處理中黃藥的質(zhì)量濃度、變化趨勢與去除率均與不投加蒙脫石對照處理的相近??梢姡翰煌?pH和不同蒙脫石投加量條件下對黃藥的吸附作用均很小。
圖3 pH對蒙脫石吸附黃藥的影響Fig.3 Effect of pH on xanthate adsorption
圖4 投加量對蒙脫石吸附黃藥的影響Fig.4 Effect of montmorillonite dose on xanthate removal
2.2.1 黃藥對Pb2+吸附動力學的影響
人們對黏土礦物對重金屬的吸附研究較多[25?27]。實驗表明:黏土礦物對 Pb2+的吸附可以迅速達到平衡[28?29]。反應時間對蒙脫石吸附Pb2+的影響見圖5。從圖5可見:無論溶液中是否存在黃藥,蒙脫石對Pb2+均在10 min內(nèi)達到吸附平衡。但當溶液中存在黃藥時會嚴重影響蒙脫石對Pb2+的吸附,吸附量明顯降低(降低57%)。主要是因為黃藥與Pb2+之間發(fā)生化學反應,生成懸浮態(tài)的黃原酸鉛,從而降低了蒙脫石對Pb2+的吸附量。
對吸附過程進行二級反應動力學擬合:
其中:k2為平衡速率常數(shù),g/(mg·min);qe為平衡時吸附量,mg/g;qt為t時的吸附量。黃藥對Pb2+吸附動力學特征的影響見圖6。從圖6可見:無論溶液中是否存在黃藥,蒙脫石對Pb2+的吸附過程均符合二級動力學方程,具有很好的線性關(guān)系(R2>0.999)。吸附速率常數(shù)分別為10.404和54.756 g/(mg·min),計算得到2種情況下平衡時吸附量(qe)分別為 9.804和 4.273 mg/g,分別與實驗測定值(9.720和4.205 mg/g)基本一致。
圖5 反應時間對蒙脫石吸附Pb2+的影響Fig.5 Effect of time on Pb2+ adsorption
圖6 蒙脫石對Pb2+的吸附動力學特征Fig.6 Adsorption kinetics of Pb2+ to montmorillonite
2.2.2 黃藥對Pb2+吸附等溫線的影響
蒙脫石對Pb2+的吸附等溫線依據(jù)Freundlich方程進行擬合:兩邊取對數(shù)后為:
其中:qe為單位質(zhì)量蒙脫石對Pb2+的吸附量,mg/g;ρe為平衡溶液中Pb2+質(zhì)量濃度,mg/L;Kf和n為特征常數(shù)。lgKf越大表明吸附能力越強,當 0.1<1/n<0.5時,表明吸附過程較易進行[30]。以Freundlich方程擬合所得到的 Pb2+吸附等溫線見圖7。可見:Pb2+吸附等溫線相關(guān)性較好。計算結(jié)果表明:不添加黃藥和添加黃藥時,lgKf分別為0.843和0.044,1/n分別0.392和0.682,說明前者的吸附能力較強,也更容易發(fā)生吸附作用。黃藥對蒙脫吸附Pb2+的影響見圖8??梢姡寒旤S藥質(zhì)量濃度一定時(20 mg/L),隨著Pb2+質(zhì)量濃度的提高,黃藥對Pb2+在蒙脫石上吸附作用的影響也逐漸減弱,如Pb2+質(zhì)量濃度為100 mg/L和800 mg/L,與不添加黃藥對照相比,添加黃藥對Pb2+在蒙脫石上吸附量的抑制率分別為72%和16%。當Pb2+質(zhì)量濃度一定時(100 mg/L),黃藥質(zhì)量濃度越高,對Pb2+在蒙脫石上吸附作用的影響也越大。當黃藥質(zhì)量濃度為 20 mg/L和100 mg/L,對Pb2+在蒙脫石上吸附量的抑制率分別為4%和14%。
圖7 Pb2+的Freundlich吸附等溫線Fig.7 Freundlich adsorption isotherms of Pb2+
圖8 黃藥對蒙脫石吸附Pb2+的影響Fig.8 Effect of xanthate on Pb2+ adsorption
2.2.3 不同pH下黃藥對Pb2+吸附作用的影響
pH對Pb2+在蒙脫石上的吸附作用有較大影響[31],當黃藥存在時影響尤其顯著,見圖9。從圖9可見:pH越高,Pb2+的吸附量越大;當pH由3上升到11時,不添加黃藥時Pb2+的吸附量提高了8.7%,而添加黃藥時Pb2+的吸附量提高了75.6%。但pH越大,黃藥對Pb2+在蒙脫石上吸附作用的影響越小。與不添加黃藥對照相比,當pH為3時黃藥對Pb2+吸附量的抑制率達74%,而當pH為11時抑制率僅為2%。不添加黃藥時,在低pH條件下H+與Pb2+形成了競爭吸附,降低了Pb2+的吸附作用[32];隨著pH升高,Pb2+與OH?生成 Pb(OH)2,與蒙脫石發(fā)生共沉淀吸附作用[33],使Pb2+吸附量上升。添加黃藥時,在低 pH條件下,除了 H+與 Pb2+的競爭吸附以外,黃藥水解產(chǎn)生的黃藥離子(ROCS2?)[16]與Pb2+生成懸浮態(tài)黃原酸鉛,導致蒙脫石對Pb2+的吸附量顯著降低。隨著pH升高,Pb2+的吸附量迅速提高。原因主要有3方面:一是黃藥水解產(chǎn)生的黃藥離子(ROCS2?)[16]及其與 Pb2+生成的懸浮態(tài)黃原酸鉛含量迅速減少;二是 Pb2+與 OH-生成Pb(OH)2,與蒙脫石發(fā)生共沉淀吸附作用[33];三是黃藥在堿性條件下解離產(chǎn)生S?[34],與Pb2+反應生成PbS沉淀,與蒙脫石發(fā)生共沉淀吸附作用。
圖9 pH對蒙脫石吸附Pb2+的影響Fig.9 Effect of pH on Pb2+ adsorption
2.2.4 蒙脫石不同用量下黃藥對Pb2+吸附作用的影響
蒙脫石不同用量下黃藥對Pb2+在蒙脫石上的吸附作用見圖10??梢姡和都恿繉γ擅撌疨b2+的吸附作用有較大影響(圖10)。對于不添加黃藥對照處理,蒙脫石投加量為 0.01 g時水溶液中 Pb2+的去除率高達93%,投加量為 0.05 g時 Pb2+的去除率緩慢提高到97%。對于添加黃藥處理,蒙脫石投加量為0.01 g時水溶液中 Pb2+的去除率為 32%,投加量為 0.05 g時Pb2+的去除率迅速提高到75%,當投加量為0.5 g時Pb2+的去除率提高到96%。因此,當含Pb2+廢水中存在黃藥時,蒙脫石的投加量需加大,以達到Pb2+更高的去除率和凈化廢水的目的。
圖10 投加量對蒙脫石吸附Pb2+的影響Fig.10 Effect of montmorillonite dose on Pb2+ removal
(1)乙基鉀黃藥在蒙脫石上的吸附作用很小,它通過與Pb2+反應形成懸浮態(tài)物質(zhì)而嚴重影響Pb2+在蒙脫石上的吸附作用,使Pb2+的吸附速率常數(shù)提高,而平衡吸附量下降,其影響程度隨著乙基鉀黃藥質(zhì)量濃度的增大而增大,隨著 Pb2+質(zhì)量濃度、pH和蒙脫石投加量的增大而減弱。
(2)研究結(jié)果可為礦山廢水中黃藥?重金屬復合污染的治理提供科學依據(jù)和實用技術(shù)。
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