王 凱

(國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司，新疆 哈密 839000)

蛭石是一種天然、無毒硅酸鹽礦物質，晶體結構為單斜晶系，外形類似云母，具有離子交換能力[1-3]。2000年，世界的蛭石總產(chǎn)量超過50萬t。最主要的出產(chǎn)國是中國、南非、澳大利亞、津巴布韋和美國[4-5]。

蛭石具有優(yōu)良的吸附、陽離子交換和熱膨脹性能，被廣泛應用于建筑、環(huán)保、農(nóng)牧業(yè)和園藝等領域[6]。蛭石對環(huán)境不存在危害，主要作為初級和低附加值材料應用，資源沒有得到充分利用[7-8]。而新疆尉犁且干布拉克蛭石礦是世界上少有的幾個超大型蛭石礦床之一，研究蛭石的性能及其在工業(yè)領域，特別是吸附領域的應用對于如何開發(fā)利用好這種非金屬礦具有重要意義[9-10]。

1 實驗試劑與儀器

1.1 試劑

實驗所用試劑如表1所示。

表1 主要實驗試劑Tab.1 The main chemical reagents

1.2 儀器

實驗所用儀器見表2。

表2 主要實驗儀器Tab.2 The main equipments

2 實驗方法

2.1 模擬廢水的配制

準確稱取0.156 2 g硫酸銅(CuSO4·5H2O)，用水溶解后，移入1 000 mL容量瓶中，用水稀釋并定容，搖勻。得到質量濃度為40 mg/L的模擬含銅廢水。

2.2 靜態(tài)吸附試驗

在一定濃度的廢水中，加入一定量的蛭石粉，調節(jié)廢水pH值，在一定水溫、攪拌速度下攪拌一定時間，離心分離，用分光光度法測定上清液中殘留的Cu2+濃度，計算蛭石對廢水中Cu2+的去除率。

2.3 重金屬離子吸附率的計算方法

實驗中，蛭石作為吸附劑吸附重金屬離子的吸附率可由式(1)計算得出：

η=(C0-C)·100%/C0

(1)

式中：η——蛭石對重金屬離子的吸附率，%；C0——吸附前溶液含重金屬離子的濃度，mol/L；C——吸附后溶液含重金屬離子的濃度，mol/L。

3 結果與討論

3.1 投加量對蛭石吸附Cu2+的影響

分別稱取0.05 g、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g和0.5 g共6組蛭石粉于50 mL錐形瓶，加入20 mL、pH值為7的40 mg/L的Cu2+溶液，分別于40 ℃下在水浴恒溫振蕩器中往復振蕩120 min；取出后，于3 500 r/min下離心10 min，取上清液，測定濃度，計算吸附率。繪制吸附率—投加量曲線，如圖1。

圖1 蛭石投加量對Cu2+去除率的影響Fig.1 Influence of vermiculite additive on the adsorption rate of Cu2+

由圖1可知，隨著蛭石用量的增加，Cu2+的去除率逐漸增加。投加量為15%時，Cu2+的吸附率趨于平緩，達到93%。之后投加量增加引起的吸附率變化幅度減弱，基本達到吸附平衡。

3.2 pH值對蛭石吸附Cu2+的影響

稱取0.3 g蛭石于50 mL的錐形瓶中，加入20 mL、pH值分別為4、5、6、7、8和9的40 mg/L的Cu2+溶液，于40 ℃下在水浴恒溫振蕩器中往復振蕩120 min；取出后，于3 500 r/min下離心10 min，取上清液，測定濃度，并計算去除率。繪制吸附率—pH值曲線，如圖2。

圖2 pH值對Cu2+去除率的影響Fig.2 Influence of pH on the adsorption rate of Cu2+

由圖2可知，蛭石對Cu2+的吸附率隨著pH值的增大，先增加后減小。當pH≤5時，Cu2+的吸附率隨著pH值的增大而增加，pH值=5～7時的吸附率達到最大，為94%左右；pH值>7以后，蛭石對Cu2+的吸附率呈下降趨勢。這是因為，蛭石在酸性條件下凝聚性強，吸附后絮凝沉淀易分離，在堿性條件下絮凝性下降，造成分離困難，而且在強堿性條件下，生成的Cu(OH)2沉淀可能會堵塞一部分蛭石內部的小孔，造成比表面積降低，吸附能力也就降低了。pH值在中性或弱酸性條件下對Cu2+吸附效率達到94.03%的最大值。

3.3 溫度對蛭石吸附Cu2+的影響

稱取0.3 g蛭石于50 mL錐形瓶中，加入20 mL、pH值為7.0的40 mg/L的Cu2+溶液，分別于20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃和70 ℃下在水浴恒溫振蕩器中往復振蕩120 min；取出后，于3 500 r/min下離心10 min，取上清液，測定濃度，并計算去除率。繪制吸附率—溫度曲線，如圖3。

由圖3可以看出，蛭石對Cu2+的去除率隨水溫的升高先增大后減小，先增大是因為升高水溫會使Cu2+的熱運動增加，從而與蛭石接觸的機會變頻繁。同時，在高溫下蛭石的表面膨脹也有利于吸附。但是由于吸附反應是放熱反應，太高水溫不利于吸附的進行，因此，Cu2+的去除率會隨水溫的持續(xù)升高而下降。從圖3可以看出，溫度為40 ℃時，蛭石對銅離子的吸附率為95%以上。

圖3 溫度對Cu2+去除率的影響Fig.3 The influence of temperature on the adsorption rate of Cu2+

3.4 吸附時間對蛭石吸附Cu2+的影響

稱取0.3 g蛭石于50 mL的錐形瓶中，加入20 mL、pH值為7.0的40 mg/L的Cu2+溶液，分別于40 ℃下在水浴恒溫振蕩器中往復振蕩5 min、10 min、30 min、60 min、120 min、150 min；取出后，于3 500 r/min下離心10 min，取上清液，測定濃度，并計算去除率。繪制吸附率—吸附時間曲線，見圖4。

圖4 時間對Cu2+去除率的影響Fig.4 The influnence of time on the adsorption rate of Cu2+

由圖4可知，蛭石對Cu2+的吸附隨著時間的延長而增加，一定時間后吸附達到平衡。因此，吸附時間對蛭石吸附Cu2+的影響較明顯，當吸附時間為120 min時，去除率為99.4%；吸附時間為150 min時，吸附率為99.5%，與吸附時間為120 min相差不大，證明已基本達到吸附平衡。這是因為，在吸附初期，隨吸附時間的延長，重金屬離子主要在固體物質的分子表面和孔內表面與其結合；而在吸附后期，受擴散控制，重金屬離子主要在固體物質的深孔內界面與其結合，故吸附速率增長速度減緩。為了實際操作中減少廢水與吸附劑的接觸時間，從而增加廢水處理量，采用120 min作為吸附Cu2+的最佳時間。

4 結論

通過單因素試驗對蛭石吸附Cu2+的測定，從投加量、pH值、吸附溫度、吸附時間這四方面考察了各因素的影響情況，對最佳吸附條件的確定得出如下結論：當投加量15%；pH值=7.0；吸附溫度40 ℃；吸附時間120 min時，對銅離子的吸附率高達99.5%以上。