王盼盼，孟 燕

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100)

麥飯石[1]是我國(guó)古代醫(yī)藥學(xué)家根據(jù)其外觀頗似大麥米煮出的飯團(tuán)而命名的一種傳統(tǒng)天然礦物藥石，具有多孔性、吸附性、溶析性、調(diào)節(jié)性、活化性、礦化性等獨(dú)特性質(zhì)[2]，對(duì)飲用水中的礦物質(zhì)和多種重金屬離子有較好的調(diào)節(jié)能力，可改善飲用水的水質(zhì)。

目前，對(duì)山東地區(qū)的麥飯石缺少H2SiO3溶出性能及吸附性能的基礎(chǔ)研究。本文在優(yōu)化條件下測(cè)定了麥飯石樣品中的H2SiO3溶出量，測(cè)定了麥飯石樣品對(duì)4 種重金屬離子的吸附率，結(jié)果滿足飲用天然礦泉水標(biāo)準(zhǔn)[3]中界限指標(biāo)的要求，為后續(xù)的麥飯石資源加工利用提出了符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求的試驗(yàn)條件。

1 麥飯石礦石簡(jiǎn)述

本文試驗(yàn)的麥飯石來自山東某地。根據(jù)含礦母巖巖性，區(qū)內(nèi)麥飯石屬巨斑角閃石英二長(zhǎng)斑巖型麥飯石[4]，根據(jù)風(fēng)化程度礦石可分為風(fēng)化礦石和新鮮礦石兩種。風(fēng)化礦石呈黃褐色—灰褐色，地表呈沙土狀，保留原巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，新鮮巖石呈淺肉紅色或淺灰黑色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

兩種礦石的主要礦物組成、化學(xué)成分、微量元素含量大致相同，與鄒平、中華麥飯石基本相當(dāng)[5]。主要礦物組成為：斑晶主要為斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石，含量約30%，基質(zhì)有斜長(zhǎng)石20%、鉀長(zhǎng)石30%、石英10%、角閃石10%。兩種礦石化學(xué)成分相近，平均含量 為：SiO266.60%、Al2O315.55%、K2O 5.84%、CaO 4.46%、Fe2O3+FeO 3.24%、Na2O 2.70%、MgO 2.67%、P2O50.46%、TiO20.32%、MnO 0.09%。礦石中對(duì)人體有益的微量元素Se、Sr、Li、Zn 的含量均高于地殼豐度值，而Pb、Cd、As、Cr 等有害元素含量低于或相當(dāng)于地殼平均值[6]。

2 麥飯石H2SiO3 溶出量試驗(yàn)

麥飯石作為一種水質(zhì)凈化劑和改良劑[7]，經(jīng)其礦化的水含有人體所需的多種礦物質(zhì)和微量元素，其中包括H2SiO3。H2SiO3已被證實(shí)具有軟化血管的功能，可緩解動(dòng)脈硬化癥，飲用富含H2SiO3的水對(duì)心臟病、高血壓、動(dòng)脈硬化均有一定醫(yī)療保健作用[8]。飲用天然礦泉水標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)界限指標(biāo)提出了要求，其中H2SiO3含量≥25.0mg/L。結(jié)合本區(qū)麥飯石欲作礦化、凈化水的用途，選定H2SiO3溶出量作為本次試驗(yàn)的對(duì)象。

2.1 溶出條件試驗(yàn)

影響麥飯石礦石溶出性能的主要因素[9]有：樣品粒度、固液比及浸泡時(shí)間。本次試驗(yàn)以風(fēng)化礦石樣品作為試驗(yàn)對(duì)象，開展了不同粒度、不同固液比和不同浸泡時(shí)間的對(duì)照試驗(yàn)，以獲得最佳試驗(yàn)技術(shù)條件。

(1)粒度試驗(yàn)。

分別取2、40、80、120、150、200 目的麥飯石樣品，與蒸餾水按固液比1 ∶5(質(zhì)量比，下同)配制溶液，在浸泡時(shí)間24h 后，取其澄清溶液分別測(cè)定H2SiO3溶出量(表1)。由表1 可知，樣品粒度越小，H2SiO3溶出量越大。這是因?yàn)轭w粒尺寸減小，顆粒比表面積增大，這將增加與水接觸的表面積，增強(qiáng)水合作用，礦物元素遷移路徑和所用時(shí)間大為縮短，從而使H2SiO3的溶出量明顯增加[9]。因此，確定200目為最佳樣品粒度。

表1 不同樣品粒度H2SiO3 溶出量測(cè)試結(jié)果表

(2)固液比試驗(yàn)。

在樣品粒度200目、浸泡時(shí)間24h的試驗(yàn)條件下，分別按1 ∶150、1 ∶100、1 ∶80、1 ∶50、1 ∶20及1 ∶5 的固液比進(jìn)行測(cè)試(表2、圖1)。由表2、圖1 可知，隨著固液比的增大，H2SiO3的含量增加相對(duì)緩慢，當(dāng)固液比為1 ∶20 時(shí)，H2SiO3含量增幅明顯。研究表明，將麥飯石投加到水中后，麥飯石表面與水體接觸形成界面水膜，水分子在表面力和毛細(xì)管力的作用下通過界面水膜進(jìn)入麥飯石顆粒內(nèi)部，并與礦物組分發(fā)生水合作用，礦物組分通過離子交換、遷移、擴(kuò)散等通過界面水膜進(jìn)入水體中[9]。固液比增大，水與麥飯石顆粒的接觸面積增大，有利于水分子進(jìn)入礦石內(nèi)部發(fā)生水合作用，將礦物元素轉(zhuǎn)移到水中。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用性，將麥飯石固液比定為1 ∶20，此時(shí)可獲得較好的溶出效果。

表2 不同固液比H2SiO3 溶出量測(cè)試結(jié)果表

圖1 不同固液比H2SiO3 溶出量結(jié)果圖

(3)浸泡時(shí)間試驗(yàn)。

在樣品粒度200 目、固液比1 ∶20 的試驗(yàn)條件下，分別于0.5、1、2、6、12、24h 浸泡后，測(cè)試其浸泡液中H2SiO3含量(表3、圖2)。由表3、圖2可知，時(shí)間與H2SiO3的溶出量是正相關(guān)關(guān)系。離子遷移和擴(kuò)散速度與濃度差有關(guān)，高濃度離子必然向不含離子或低濃度的水中遷移，當(dāng)濃度差減小時(shí)，時(shí)間對(duì)溶出量的影響較小。本試驗(yàn)條件下，2h 時(shí)基本達(dá)到溶出平衡。在樣品粒度200 目、固液比1 ∶20的試驗(yàn)條件下，浸泡2h 即可獲得較好的H2SiO3溶出效果。

圖2 不同浸泡時(shí)間H2SiO3 溶出量測(cè)試結(jié)果圖

表3 不同浸泡時(shí)間H2SiO3 溶出量測(cè)試結(jié)果表

綜上，將粒度200 目、固液比1 ∶20、浸泡時(shí)間2h 作為本次測(cè)定麥飯石H2SiO3溶出量的最佳試驗(yàn)溶出條件。

2.2 溶出效果試驗(yàn)

本試驗(yàn)共對(duì)119 件麥飯石樣品(其中風(fēng)化樣品98 件、新鮮樣品21 件)進(jìn)行H2SiO3溶出量測(cè)定。取200 目麥飯石樣品50g，置于1L 蒸餾水中，在常溫條件下浸泡2h 后，取其澄清溶液進(jìn)行H2SiO3含量測(cè)定(表4、圖3)。結(jié)果表明：①風(fēng)化樣品與新鮮樣品在蒸餾水中均能溶出H2SiO3，H2SiO3含量均超過25.0mg/L；②風(fēng)化樣品的H2SiO3溶出量平均值為146.87mg/L，高于新鮮樣品的107.16mg/L；③風(fēng)化樣品的H2SiO3溶出量最大值約為新鮮樣品的3 倍。綜上，在最佳H2SiO3溶出條件下，風(fēng)化樣品的H2SiO3溶出效果優(yōu)于新鮮樣品，兩者均滿足飲用天然礦泉水標(biāo)準(zhǔn)中的界限指標(biāo)要求。

表4 麥飯石樣品H2SiO3 溶出量測(cè)定結(jié)果表

圖3 麥飯石樣品H2SiO3 溶出量測(cè)試結(jié)果散點(diǎn)圖

3 麥飯石吸附性能試驗(yàn)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水排放量急劇增長(zhǎng)，且水中的污染物濃度，特別是重金屬離子濃度也隨之增大。水體中的重金屬離子是國(guó)際公認(rèn)的具有致癌、致突、致畸效應(yīng)[10]和遺傳毒性的物質(zhì)，直接影響人們的身體健康，去除水體中重金屬離子的研究已引起越來越多的關(guān)注。

麥飯石作為一種天然礦產(chǎn)資源，因具有大的孔隙和比表面積[11]，使其具有良好的吸附性能。采用麥飯石作為吸附劑去除水體中的重金屬離子，在凈化水質(zhì)的同時(shí)，又可以調(diào)節(jié)水質(zhì)，增加水的微量元素和生物活性。

3.1 吸附時(shí)間試驗(yàn)

常溫下，將粒度為200 目的風(fēng)化樣品20g 放入1L 配制的標(biāo)準(zhǔn)溶液中(Pb 0.100mg/L、Cd 0.050mg/L、As 0.100mg/L、Cr 0.500mg/L，相當(dāng)于生活飲用水上限濃度的10 倍)，并分別于2、4、8、12、18、24h 浸泡后，取其澄清液，測(cè)定其中重金屬離子的含量(表5、圖4)。試驗(yàn)結(jié)果表明：①在給定初始濃度及測(cè)試條件下，隨著吸附時(shí)間的增加，麥飯石對(duì)Pb、Cr、Cd、As 的吸附率均有不同程度的增加；②麥飯石對(duì)不同重金屬離子的吸附平衡時(shí)間不同，Pb 離子最快，8h 即可達(dá)平衡；As 在12h時(shí)基本達(dá)到平衡；Cd、Cr 最慢，在18h 時(shí)趨于平衡；③麥飯石對(duì)不同重金屬離子的吸附率不同。鑒于以上三點(diǎn)，試驗(yàn)中吸附時(shí)間定為24h，以獲得最大吸附量并保證反應(yīng)平衡。

表5 不同時(shí)間麥飯石吸附重金屬離子結(jié)果表

圖4 不同時(shí)間麥飯石吸附重金屬離子結(jié)果圖

3.2 吸附效果試驗(yàn)

分別取兩件風(fēng)化樣品、兩件新鮮樣品各20g，粒度均為200 目，4 件樣品分別放入1L 配制的標(biāo)準(zhǔn) 溶 液 中(Pb 0.100mg/L、Cd 0.050mg/L、As 0.100mg/L、Cr 0.500mg/L)，浸泡24h 后，取其澄清液，測(cè)定其重金屬離子的含量(表6)。結(jié)果顯示：①兩種樣品對(duì)溶液中含有一定濃度的重金屬離子均有吸附作用，風(fēng)化樣品的吸附性能優(yōu)于新鮮樣品。這是因?yàn)轱L(fēng)化樣品的孔隙發(fā)育更好，比表面積更大，更有利于重金屬離子的吸附；②麥飯石樣品對(duì)Pb、Cr、Cd、As 的吸附率分別為85%～92%、71%～76%、56%～62%、23%～34%。紅外光譜分析證明麥飯石中具有大量SiO-基團(tuán)[10]，因此，在固液體系中麥飯石顆粒表面可形成水合氧化物覆蓋層，表面呈負(fù)電性，通過靜電引力可以將金屬陽(yáng)離子吸附在其表面, 因此麥飯石對(duì)重金屬離子有較好的吸附作用；③此試驗(yàn)條件下，麥飯石對(duì)重金屬離子的吸附率從大到小排序?yàn)镻b>Cr>Cd>As。

表6 麥飯石樣品吸附重金屬離子結(jié)果表

4 結(jié)論與討論

(1)經(jīng)試驗(yàn)，粒度200 目、固液比1 ∶20、浸泡時(shí)間2h 為本次測(cè)定麥飯石H2SiO3溶出量的最佳溶出條件。

(2)在上述條件下，風(fēng)化樣品的H2SiO3溶出量?jī)?yōu)于新鮮樣品，并均達(dá)到飲用天然礦泉水標(biāo)準(zhǔn)界限指標(biāo)中的H2SiO3含量≥25.0mg/L 的要求。

(3)在粒度200 目，吸附時(shí)間24h 條件下，兩種樣品對(duì)重金屬離子均有吸附作用，且風(fēng)化樣品的吸附性能優(yōu)于新鮮樣品；麥飯石樣品對(duì)Pb、Cr、Cd、As 的 吸 附 率 分 別 為85% ～92%、71% ～76%、56%～62%、23%～34%；麥飯石對(duì)重金屬離子的吸附率從大到小排序?yàn)镻b>Cr>Cd>As。

(4)在粒度200 目條件下，麥飯石對(duì)重金屬離子的最佳吸附時(shí)間為24h。其他目數(shù)、不同pH 值、不同溫度等試驗(yàn)條件下對(duì)重金屬離子的最佳吸附時(shí)間有待進(jìn)一步研究。本區(qū)麥飯石中其他礦物元素的溶出性能及其他重金屬離子等的吸附性能有待進(jìn)一步試驗(yàn)證明。