張 潔，王 強，張潔婷，王淑慧，褚 斌，劉樂樂，葉長青

（南通大學，江蘇 南通 226019）

膨潤土對Pb2+的吸附及鋁的影響研究

張 潔，王 強，張潔婷，王淑慧，褚 斌，劉樂樂，葉長青

（南通大學，江蘇 南通 226019）

研究膨潤土對水溶液中鉛的吸附特性以及鋁對鉛吸附的影響。通過各組吸附實驗，建立膨潤土對水溶液中鉛離子的吸附最佳條件，天然膨潤土對鉛的吸附平衡時間約為60 min,其吸附符合一級動力學方程；鉛吸附最適pH=9；天然膨潤土對水溶液中鉛離子的吸附規(guī)律符合Freundlich等溫方程和Langmuir等溫方程，呈顯著相關性；加入少量鋁離子時，吸附除鉛能力增強，但繼續(xù)增加鋁濃度，去除能力降低，該現(xiàn)象主要通過鋁鹽水解所致的pH變化起調節(jié)作用，電中和作用不明顯。

膨潤土; 吸附; Pb2+; 吸附等溫線; 鋁

隨著社會工業(yè)化迅速發(fā)展，重金屬的開采、冶煉、加工、應用不斷增多，產生大量廢水，重金屬離子隨其排入環(huán)境，造成水體的嚴重污染。重金屬離子存在于大氣圈、水圈、土壤巖石圈中，通過食物鏈、日照、溫度、風、重力等因素，在生物圈中富集，重金屬及其化合物對人類健康及自然環(huán)境造成進一步地危害。目前處理重金屬廢水最常用的方法很多，如離子交換法、吸附法及化學沉淀法。在廢水處理尤其是工業(yè)廢水處理中，吸附法是一類重要的物理化學方法，它不僅可以降低水中重金屬離子濃度，還有利于回收其中貴重的重金屬[1-3]。

膨潤土是一種以蒙脫石為主要成分的黏土。蒙脫石是種具有2∶1型層狀結構的硅酸鹽礦物, 具有很好的膨脹性、可塑性、粘結性以及陽離子交換性能，應用廣泛[4]。由于這些性質決定了膨潤土具有較高的離子交換容量和很強的吸附能力，因此可應用于在重金屬吸附方面[5]。我國是膨潤土的主要礦產地之一，價格低廉，取材方便，開發(fā)和利用膨潤土解決水體污染具有廣泛的應用前景，也出現(xiàn)了一些改性膨潤土作為新型吸附材料去除重金屬的研究[6,7]。另外，鋁鹽作為水處理常規(guī)藥劑[8]，其對吸附的影響還未見報道。本課題就膨潤土對水中鉛離子的吸附條件及鋁對鉛吸附的干擾進行了相關研究，為將來改性膨潤土吸附材料的制備奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

pH計（雷磁 PHS-3C），恒溫振蕩培養(yǎng)箱（SHA-C），離心機（TDL-5），原子吸收分光光度計（AA320NCRT）。硝酸鉛，氯化鋁，硝酸鈉，氫氧化鈉，鹽酸試劑均為分析純，實驗所用吸附劑為上?；す咎峁┨烊慌驖櫷粒擅撌疜FS）。

1.2 鉛吸附實驗

吸附實驗所用的含Pb2+的吸附溶液由分析純硝酸鉛試劑溶于適量的去離子水配成。取一定濃度鉛離子溶液50 mL 盛裝在聚四氟乙烯塑料瓶中，用一定濃度的HCl 和NaOH 溶液控制其pH值。取適量土樣與重金屬溶液充分混合，放入振蕩器上在25 ℃的條件下振蕩至吸附達到平衡，然后用離心機對溶液進行離心，取上清液并過濾，用原子吸收分光光度計測定濾液中重金屬鉛離子的殘余濃度。

按下面的公式計算吸附量 q/(mg·g-1)和吸附去除率Y,%:

吸附率Y=(C0-C)·C0-1×100%

吸附量q=(C0-C)·Cp-1×1000

其中:Cp表示溶液中固體濃度,mg·L-1；C0表示溶液中初始鉛濃度；C表示平衡時鉛濃度,mg·L-1。

2 結果與討論

2.1 反應時間對鉛吸附效果的影響

在一定的吸附劑用量、鉛初始濃度及反應溫度的條件下，以吸附時間作為變量，使用天然膨潤土做一組吸附實驗，從而探討吸附時間對吸附效果的影響。結果如下：

由圖1可見，天然膨潤土吸附鉛離子的反應速度很快，吸附過程大致分為兩個階段，第一個階段為快速反應, 第二個階段為慢速反應。整個吸附在1 h內就達到平衡，隨著反應時間延長，其吸附率基本不變。為了保證吸附能達到平衡，實驗采用的吸附時間為1 h。

圖1 吸附動力學曲線Fig.1 Curve of adsorption kinetics

表1 膨潤土吸附鉛離子的動力學方程及其擬合Table 1 kinetics of lead adsorption on bentonite and its fitting

用表1中的動力學方程式對其進行擬合，根據線性化的R值來判斷擬合的優(yōu)劣，從而判斷其吸附過程最符合哪個動力學方程。

動力學方程擬合結果表明：以動力學一級方程描述膨潤土吸附鉛離子吸附動力學方程最優(yōu)，其相關系數（R 值）最大達到0.998 2，其次是Elovicb方程，而雙常數方程的擬合效果最差。

2.2 pH值對鉛離子吸附的影響

在一定的吸附劑用量、鉛初始濃度及反應溫度的條件下，研究不同pH值對吸附效果的影響。結果如圖2所示。

圖2 不同pH條件下對鉛的吸附Fig.2 Lead adsorption in various pH

由圖2可見，隨著溶液pH值的不斷增高，天然膨潤土對鉛離子的去除能力不斷增強。在酸性條件下，膨潤土對鉛離子的吸附效果較差，其原因主要考慮是由于溶液中H+濃度過高，占據了吸附劑的吸附位，與鉛離子形成競爭吸附，對鉛離子吸附的產生負面影響。在堿性條件下，鉛離子與水體中OH-形成羥基絡合物，被粘土顆粒吸附，或由于氫氧根增加了粘土顆粒表面吸附位，促進了對鉛離子的吸附。溶液在中性和堿性范圍內，吸附率呈波動性上升趨勢。溶液的pH在9～11，吸附穩(wěn)定時，樣品吸附率達到 92.88%，故以下吸附實驗均選擇pH=9作為本研究的最適酸堿條件。

2.3 鉛吸附等溫方程擬合

Langmuir 和 Freundlich 吸附等溫方程是研究吸附平衡常用的兩個方程。Langmuir 吸附等溫方程是從動力學理論推導的單分子層吸附等溫方程，其中的參數具有明確的物理意義。Freundlich 吸附等溫方程被認為是經驗公式。

Langmuir等溫方程：

1/qe=1/Q0+1/Q0KL×1/Ce（1）

Freundlich等溫方程：

lnqe=lnKF+(1/n)lnCe（2）

式中：qe為平衡吸附量, mg·g-1；Ce為吸附平衡濃度, mg·L-1；Q0, mg·g-1，最大吸附容量，KL, L·mg-1，Langmuir常數。KF、n 是Freundlich 吸附等溫方程的經驗參數, 可以將KF看作是與吸附劑吸附容量有關的參數, n是與吸附質和吸附劑表面作用強度有關的參數。

采用方程（1）和方程（2）的擬合方程對實驗數據進行回歸處理。Langmuir和Freundlich等溫方程各參數見表2。

表2 天然膨潤土對鉛離子的吸附等溫方程參數Table 2 Parameters of isothermal adsorption equation of lead adsorption on natural bentonite

天然膨潤土對鉛離子的吸附隨著鉛離子吸附平衡濃度的增大，平衡吸附量也隨之增加。由表 2各實驗參數可知，Langmuir吸附等溫方程的參數R2＞0.97，F(xiàn)reundlich 吸附等溫方程 R2＞0.94，回歸結果呈良好的線性相關，表明天然膨潤土對水溶液中鉛離子的吸附行為規(guī)律符合 Langmuir等溫方程和Freundlich等溫方程。

2.4 土量對鉛吸附效果的影響

在溫度為15 ℃，pH=9，鉛溶液初始濃度相同的條件下，測試不同膨潤土投加量對吸附過程的影響，結果如圖3所示。

圖3 土量對a）吸附率,b）吸附量的影響Fig.3 Effects of dose of bentonite on a) removal , b) adsorption

從圖3可見，隨著膨潤土用土量的增加，鉛離子的吸附率上升，而吸附量呈降低趨勢。其中當用土量為0.05 g·L-1時，其吸附率只有40%，而吸附量卻達到15.8 mg·g-1。當用土量達到0.4 g·L-1時，鉛離子的吸附率和吸附量分別達到 77.10%和 3.85 mg·g-1；用土量繼續(xù)增加到0.5 g·L-1時，其吸附率為73.64%，吸附量下降到3.35 mg·g-1，基本不再變化，故0.4 g·L-1是吸附鉛離子較適宜的投土量。

2.5 鋁離子對鉛吸附的影響

在鉛溶液初始濃為10 mg·L-1，15 ℃，pH=9，用土量為0.4 g·L-1的條件下，加入不同量的鋁離子作為干擾物，研究加入不同量鋁對膨潤土吸附鉛的影響。實驗結果如圖4所示。

圖4 鋁離子對a)吸附率,b)pH,c)zeta電位的影響Fig.4 Effects of aluminum ion on a) removal,b) pH, c) zeta potential

圖4a及圖4b反映了鋁離子對吸附率及吸附體系pH的影響，可以看出兩者的變化趨勢嚴格一致。在無鋁條件下，鉛的吸附率為90.9%，pH值為7.72，加入鋁離子使?jié)舛葹?.5 mg·L-1后，pH略微升高至7.80，其吸附率也相應略微增加至 93.3%，由此可見少量增加鋁離子可促進膨潤土對鉛吸附，而其pH有異常增高現(xiàn)象，可能是少量的鋁離子通過陽離子置換，把鈣鎂等堿性離子釋放至液相，激發(fā)了膨潤土內的成堿機制，具體原因有待進一步研究。繼續(xù)增加鋁離子濃度體系的pH由于鋁鹽的水解作用而降低，當其濃度為2 mg·L-1和5 mg·L-1時，體系pH分別降為7.66和7.65，比較穩(wěn)定，說明膨潤土-懸濁液體系有一定的pH緩沖能力，相應地，其吸附率穩(wěn)定在86%左右，比起未加鋁略有下降，這與pH降低步調一致。很明顯，pH是影響其吸附率大小的重要因素。

由于鋁鹽作為混凝劑，可以改變水體膠體顆粒的電勢電位，考察鋁離子的電性改變對其吸附率的影響。由圖4c可知，膨潤土膠體荷負電[9]，投加鋁鹽后，其負電荷減少，但不致電中和，體系未發(fā)生明顯凝聚沉淀現(xiàn)象。而后期鋁鹽的繼續(xù)投加，其電荷變化不明顯，與吸附率的變化不同步，這說明電中和現(xiàn)象不對其吸附效果產生顯著影響。

3 結 論

（1）天然膨潤土對鉛的吸附平衡時間約為 60 min，最適pH=9，適宜用土量為0.4 g·L-1；

（2）水溶液中鉛離子在天然膨潤土上的吸附為一級動力學吸附，且符合 Langmuir等溫方程和Freundlich等溫方程；

（3）鋁在適量情況下可促進膨潤土對鉛的吸附，但隨著用量的增加，吸附率降低，其作用主要通過pH的調節(jié)，電中和作用不明顯。

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［5］王保成，吳雪峰，柳偉,等 膨潤土吸附劑處理含鎳（Ⅱ）廢水的研究[J].當代化工,2010, 39(5):516-518.

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朗盛宣布擴建寧波無機顏料工廠

2014年9月11日，科隆/上?！厥饣瘜W品集團朗盛宣布在寧波在建生產基地新增一座顏料拼混研磨工廠，以滿足中國市場對氧化鐵顏料的強勁需求，并加強其在華生產網絡。朗盛對寧波生產基地的總投資從5,500萬歐元增至6,000萬歐元。新的拼混研磨設施和在建的氧化鐵紅顏料工廠將創(chuàng)造約200個工作崗位。氧化鐵顏料的應用領域包括涂料、塑料、建筑和造紙工業(yè)等。

寧波氧化鐵紅顏料工廠滿足最新的環(huán)保標準，設計年產能25,000噸。而這座拼混研磨工廠年產能將達70,000噸，加工來自寧波生產基地和朗盛其他基地的顏料，為整個亞洲市場提供產品。這兩座工廠計劃于2015年第四季度竣工，2016年第一季度投產。

同時，上海市政府計劃將騰出的桃浦廠區(qū)納入上海普陀區(qū)“智慧城市”高科技園區(qū)。朗盛將在2016年年底業(yè)務遷移至寧波之后關閉其在上海桃浦的拼混研磨工廠，該工廠目前年產能為35,000噸。

“城市化進程不斷推進，全球氧化鐵顏料的需求正以每年 3%的速度持續(xù)增長，所以我們決定擴建寧波工廠，”無機顏料業(yè)務部(IPG)全球負責人何緯克說道。“這座工廠將是上海金山基地之外，我們全球生產網絡中又一個重要的基地。通過擴大我們在華拼混研磨產能，我們鞏固了世界領先的氧化鐵顏料制造商的地位，并為客戶提供廣泛的產品組合?！?/p>

朗盛寧波工廠坐落于中國東部沿海的寧波石化經濟技術開發(fā)區(qū)(NPEDZ)。該工業(yè)園區(qū)擁有一流的基礎設施和良好的物流系統(tǒng)，是中國規(guī)模最大、最現(xiàn)代化的化工園區(qū)之一。

朗盛將采用經改進的、可持續(xù)的彭尼曼法，通過優(yōu)化水處理和廢氣處理工藝，在寧波生產基地制造高品質的偏黃相的氧化鐵紅顏料。由于采用了高效節(jié)能的工藝，該工廠將符合最高的國際環(huán)保標準。

Study on Adsorption of Pb2+on Bentonite and Effects of Aluminum Ions

ZHANG Jie, WANG Qiang, ZHANG Jie-ting, WANG Shu-hui, CHU Bin, LIU Le-le, YE Chang-qing
（Nantong University, Jiangsu Nantong 226019，China）

The adsorption characteristics of lead on natural bentonite and effect of aluminum ions were studied. The results show that the adsorption completes in 60 min, conforms to first-order reaction, optimum pH is 9; the adsorption of lead ions on bentonite conforms to both Langmuir isotherm equation and Freundlich isotherm equation with significant correlation. When adding a small amount of aluminum ions in the reaction system, the ability of lead removing enhances, and then decreases with further increase of aluminum ion content, which is resulted from the adjusting of pH, but is not caused by the charge neutralization.

Bentonite; Adsorption; Pb2+;Absorption isotherm; Aluminum

TQ 424

A

1671-0460（2014）12-2486-04

江蘇省大學生創(chuàng)新訓練計劃(2014204)；南通大學人才引進項目(12R026,12R027,12Z022)；江蘇省六大人才高峰計劃(JNHB012)。

2014-10-08

張潔（1993-），女，陜西西安人，研究方向：從事公共衛(wèi)生與預防工作。

葉長青（1973-），男，副教授，博士，從事環(huán)境公共衛(wèi)生與預防工作。E-mail：cqye@ntu.edu.cn。