鹽酸改性膨潤土處理含鎘廢水

　　具有毒性高、危害大等特征，在水環(huán)境污染研究中，是最受關(guān)注的研究對象之一。目前處理含鎘廢水的主要方法有：化學(xué)沉淀法、離子交換法、電絮凝法、膜分離法、吸附法等。膨潤土作為吸附劑處理重金屬廢水研究較多，由于膨潤土本身的性質(zhì)導(dǎo)致其在實際應(yīng)用中受到限制，在使用時需要進(jìn)行活化改性。

　　改性膨潤土的方法眾多，無機(jī)改性的方法簡單，對環(huán)境造成的危害小。在無機(jī)改性的方法中，常用的為酸改性。酸改性的膨潤土吸附金屬離子具有制備過程簡單、吸附效率高、處理成本低的特點，是解決重金屬污染的有效途徑。

　　本文以HCl溶液改性膨潤土，以鎘離子溶液為模擬鎘廢水，系統(tǒng)地研究其吸附條件和吸附機(jī)理，為未來的深入研究提供一定基礎(chǔ)。

　　1、實驗部分

　　1.1 試劑與儀器

　　鹽酸、硝酸鎘、氫氧化鈉等均為化學(xué)純，超純水。IKA-WERKE型土壤研磨機(jī)，ML204型電子分析天平，TDL-5A型臺式離心機(jī)，SHA-CA型數(shù)顯水浴恒溫振蕩器，DHG-9140B型電熱鼓風(fēng)干燥箱，TAS-990AFG型火焰原子分光光度計。

　　1.2 酸改性膨潤土的制備

　　1.2.1 膨潤土的精化

　　將塊狀的膨潤土粉碎，與超純水按照1∶10的比例混合均勻，浸泡24h。離心，去除雜質(zhì)，經(jīng)105℃干燥，研磨粉碎，過200目篩，得到精化后的膨潤土。

　　1.2.2 酸改性

　　取一定量精化后的膨潤土，與超純水按照1∶10的比例混合均勻，分別加入一定體積比的鹽酸，混合均勻后在室溫下浸泡24h，進(jìn)行酸改性處理。用超純水多次洗滌，直到pH值為中性。于105℃烘干，研磨粉碎，過200目篩。

　　1.3 吸附實驗

　　取50mL用超純水配制的Cd(NO3)2溶液，于100mL錐形瓶中，加入4g/L的酸改性膨潤土，用HCl或者NaOH調(diào)節(jié)pH值。將錐形瓶中固定于水浴恒溫振蕩器中，室溫下振蕩吸附，離心后用0.45μm濾膜過濾，用火焰原子分光光度計測定溶液中剩余鎘的濃度。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1 鹽酸濃度對改性膨潤土吸附效果的影響

　　分別采用體積濃度為5%，10%，15%，20%和25%的HCl對膨潤土進(jìn)行改性，對濃度20mg/L的鎘溶液進(jìn)行吸附，pH值為中性，吸附時間3h。HCl濃度對改性土去除Cd2+的影響見圖1。

　　由圖1可知，經(jīng)不同濃度鹽酸改性后的膨潤土均比沒有改性的膨潤土吸附效果好，且隨著鹽酸濃度的升高，酸改性膨潤土對鎘溶液的處理能力得到增強(qiáng)，呈緩慢上升的趨勢。未改性膨潤土的去除率為75.27%，5%和25%鹽酸改性膨潤土的去除率分別為81.20%和89.44%，比原土分別提高了7.9%和18.8%，可知鹽酸改性對吸附率的提高效果非常明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可能與選擇的鎘溶液濃度有關(guān)。有文獻(xiàn)報道，在高濃度的溶液中，膨潤土與酸改性膨潤土處理Ni2+的差異不大，而在低濃度時，改性和未改性膨潤土處理效果差別比較明顯，說明酸改性膨潤土對低濃度的重金屬廢水處理更具有優(yōu)勢。

　　2.2 pH值對吸附的影響

　　pH是影響金屬離子去除率的重要因素之一，主要是因為H+是金屬離子的主要吸附競爭對象。本文對pH為4，5，6，7，8，9的20mg/L的鎘溶液進(jìn)行吸附處理3h，結(jié)果見圖2。

　　由圖2可知，去除率隨著pH的增加而增加，在pH=8時達(dá)到最大值92.73%。在pH值為4～6范圍內(nèi)，去除率不到50%。這是因為在酸性條件下，溶液中存在大量H+，它們會與鎘競爭吸附位點。當(dāng)pH增大時，H+逐漸減少，使得膨潤土晶體端面負(fù)電荷增加，競爭效應(yīng)隨著消失。當(dāng)pH值>8時，去除率降低，因鎘離子會與氫氧根產(chǎn)生沉淀被去除。最佳的吸附條件為pH=8。

　　2.3 鎘離子溶液初始濃度對吸附的影響

　　在pH為中性，吸附時間3h的實驗條件下，分別對5～500mg/L的鎘離子溶液進(jìn)行吸附處理，結(jié)果見圖3。

　　由圖3可知，在0～20mg/L的濃度范圍內(nèi)，去除率隨著鎘離子初始濃度的增加而急速增加，濃度20mg/L時，去除率達(dá)到最大值86.80%，濃度>20mg/L，去除率隨著初始濃度的增加而緩慢降低。因為吸附是一個動態(tài)平衡的過程，溶液中總是會存在一定的殘留，所以初始濃度低時，去除率反而很小。由于酸改性膨潤土吸附劑吸附鎘離子的量是有限的，因此當(dāng)溶液達(dá)到了一定的濃度時，吸附劑已經(jīng)吸附飽和，就不能繼續(xù)吸附溶液中的離子。吸附容量隨著鎘離子溶液初始濃度的增大而增加。綜上所述，最佳的初始溶液濃度為20mg/L。

　　2.4 時間對吸附的影響

　　在中性條件下，分別調(diào)整吸附時間為0～420min，結(jié)果見圖4。

　　由圖4可知，去除率隨著時間的增加而增加，30min時達(dá)到吸附平衡，去除率為86.85%。30min為最佳吸附時間。

　　2.5 吸附等溫線研究

　　對圖3的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行不同等溫線方程擬合，結(jié)果見表1。

　　由表1可知，擬合程度最好的為Freundlich，線性相關(guān)系數(shù)為0.9656，說明Freundlich等溫吸附模型可以比較準(zhǔn)確地描述酸改性膨潤土對水溶液中鎘離子的吸附過程。酸改性膨潤土對鎘離子的吸附是一種在不均勻的表面下的多相吸附。Freundlich等溫平衡方程的n=1.4856，說明本實驗條件下，酸改性膨潤土吸附鎘離子是一個比較容易的反應(yīng)過程。

　　2.6 吸附動力學(xué)研究

　　對圖4的數(shù)據(jù)用一級動力學(xué)和二級動力學(xué)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2。

　　由表2可知，二級動力學(xué)的相關(guān)性系數(shù)R2高達(dá)0.9991，計算的平衡吸附容量為4.14mg/g，與實驗值4.13mg/g非常接近。因此，二級動力學(xué)方程能較為真實地反映鹽酸改性膨潤土吸附水溶液中鎘離子的吸附。二級動力學(xué)包含了外部液膜擴(kuò)散、表面吸附和離子內(nèi)擴(kuò)散，酸改性膨潤土對鎘離子的吸附主要以化學(xué)吸附為主，屬于吸附質(zhì)與吸附劑之間的化學(xué)作用過程。

　　綜上所述，可以大概描述出酸改性膨潤土吸附水中鎘離子的一個反應(yīng)過程機(jī)理。水溶液中的鎘離子在運(yùn)動過程中穿過酸改性膨潤土表面的液膜，擴(kuò)散進(jìn)入膨潤土層間，與以靜電形式與膨潤土相結(jié)合的水合陽離子進(jìn)行離子交換，最終吸附在膨潤土上，將鎘離子從水溶液中去除。

　　3、結(jié)論

　　(1)用不同濃度鹽酸改性膨潤土，對含鎘廢水進(jìn)行吸附處理，發(fā)現(xiàn)鹽酸改性提高了膨潤土的吸附性能，并且隨著鹽酸濃度增加，酸改性膨潤土吸附鎘的能力呈緩慢增強(qiáng)趨勢。

　　(2)用20%鹽酸改性的膨潤土吸附鎘溶液的最佳吸附條件為：pH=8，鎘離子濃度20mg/L，反應(yīng)時間30min。在此條件下，Cd2+去除率86.80%。

　　(3)Freundlich吸附等溫線方程和二級動力學(xué)方程可較好的描述酸改性膨潤土對鎘離子的吸附過程，吸附過程以化學(xué)吸附為主，吸附較易進(jìn)行，30min達(dá)到平衡。(來源：新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險預(yù)警重點實驗室，新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院)