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，在使用時需要進行活化改性。

　　改性膨潤土的方法眾多，無機改性的方法簡單，對環(huán)境造成的危害小。在無機改性的方法中，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，ML204型電子分析天平，TDL-5A型臺式離心機，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對膨潤土進行改性，對濃度20mg/L的鎘溶液進行吸附，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，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pH增大時，H+逐漸減少，使得膨潤土晶體端面負電荷增加，競爭效應(yīng)隨著消失。當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，因此當溶液達到了一定的濃度時，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)包含了外部液膜擴散、表面吸附和離子內(nèi)擴散，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)過程機理。水溶液中的鎘離子在運動過程中穿過酸改性膨潤土表面的液膜，擴散進入膨潤土層間，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，吸附較易進行，30min達到平衡。(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)境保護科學(xué)研究院)