硫酸鈣晶須對水中Pb2+的吸附性能

Tan Ruiqi，Li DongGuangdong ANJATAI Environment Protection Science and Technology Co

硫酸鈣晶須對水中Pb2+的吸附性能

Tan Ruiqi，Li Dong
Guangdong ANJATAI Environment Protection Science and Technology Co

利用硫酸鈣晶須對含Pb2+水樣進行靜態(tài)吸附試驗，研究了其對Pb2+的吸附性能及機理。試驗結果表明,硫酸鈣晶須對Pb2+的去除效果好、處理效率高，其對Pb2+的去除率可達到97.54%。同時，根據(jù)吸附熱力學和吸附動力分析可知，硫酸鈣晶須對Pb2+的主導吸附方式為單分子層的化學吸附，吸附規(guī)律可用Langmuir方程和二級動力學方程進行很好地模擬。

硫酸鈣晶須；Pb2+；吸附；等溫方程；動力學方程

硫酸鈣晶須是一種性價比很高的綠色環(huán)保材料[1]。它具有結構松散、密度小、比表面積大、無毒等特性，利用晶須松散的結構和其表面活性，可以用作啤酒、飲料和藥品等的過濾。同時在廢水處理中也可以對其應用，劉玲[1]等利用硫酸鈣晶須對含乳化油廢水進行了處理，在一定條件下,硫酸鈣晶須破乳除油效果較好,除油率達97.08%。陳曉娟[2]等利用硫酸鈣晶須對As(ⅠⅠⅠ)∕As(Ⅴ)進行吸附，效果較好，并且提出對晶須進行穩(wěn)定化處理和表面進行改性的建議。楊雙春[3]等在硫酸鈣晶須對鎘、鎳、鉛的吸附研究中發(fā)現(xiàn),硫酸鈣晶須對鉛離子具有良好的定量吸附和解吸功能,且重復再生性能較好。因此，本文在硫酸鈣晶須的吸附應用方面進行探討和研究，使用硫酸鈣晶對Pb2+的吸附特性、機理進行分析和研究。

1 試劑及儀器

試驗中所用Pb(NO3)2、HCl、NaOH均為分析純；溶液均采用自制去離子水配置；本試驗使用的硫酸鈣晶須為武漢大學固廢資源化實驗室使用脫硫石膏制備得到；掃描電子顯微鏡（荷蘭FEⅠ公司，Quanta 200），等離子體發(fā)射光譜儀（澳大利亞Agilent公司，5100 SⅤDⅤ）；離心機；六聯(lián)電動攪拌器。

2 試驗過程

本試驗為靜態(tài)吸附試驗，配置一定濃度Pb2+水樣，采用錐形瓶作為反應器；用攪拌子來使水溶液產生旋流；多聯(lián)式磁力加熱式攪拌器，連接感溫探頭控制水溫。試驗過程中控制溫度為25℃(溫度控制在±0.5℃)，攪拌速度200r∕min。精確記錄試驗時間，在到達預設時間后，靜置30min,抽取一定量的混合液注入離心管中，進行離心，設定離心時間為10分鐘，轉速3000r∕min。使用一次性針式微孔濾膜取離心管中的上清液，對濾液使用等離子體發(fā)射光譜儀進行鉛離子濃度分析。通過改變水樣pH、處理時間、水樣濃度、硫酸鈣晶須投加量的單因素進行試驗研究，每個單因素試驗均有3組平行試驗。用等離子光譜儀（ⅠCP）測定上層清液的Pb2+含量。

3 結果與討論

3.1pH對吸附效果的影響

pH對金屬氧化物吸附金屬離子起到非常大的影響[4]。pH對吸附效果的影響見圖1，鉛的去除率隨pH上升而上升其原因為：1. pH越高晶須表面形成羥基化從而導致負電荷越多，對Pb2+的吸附能力就越強。2.各金屬離子均有一個臨界pH值，當超過該值以后，離子的水解和沉淀占主導地位[5]。3.當pH大于7以后Pb2+的去除率上升的主要原因可能是吸附與沉淀共同的作用。

圖1 pH對吸附的影響

3.2 時間對吸附效果的影響

硫酸鈣晶須在短時間內對鉛的去除效果非常明顯，在處理Pb2+濃度為2.73mmol∕L，由圖2可見，30分鐘時，去除率即達到67.97%。從90分鐘到120分鐘時，鉛去除速率放緩，可能是因為晶須吸附位點和水樣中鉛的濃度都已大大減少。全過程在120分鐘內，去除速率明顯增大，在120分鐘到360分鐘之間去除率基本保持穩(wěn)定，在360分鐘時去除率已近達到97%，溶液平衡濃度僅為24.56mg∕L。有此可知，在120分鐘時吸附過程基本已近達到平衡狀態(tài)。

圖2 時間對吸附的影響

3.3 初始Pb2+濃度對吸附效果的影響

圖3 初始濃度對吸附的影響

當含鉛水樣濃度高8.2mmol∕L時，見圖3，硫酸鈣晶須對鉛的吸附量的趨勢基本平緩，雖然去除率下降，但是吸附量隨水樣初始濃度呈相關度較高的線性遞增關系可知其對鉛的吸附能力仍然保持一個較高的趨勢上升，隨著Pb2+離子濃度增多，吸附劑與吸附質之間接觸和碰撞的機會增大，導致吸附量隨之增大[6]。隨著Pb2+離子濃度增多，吸附劑與吸附質之間接觸和碰撞的機會增大，導致吸附量隨之增大。由此推測水樣中Pb2+濃度越大濃則可以提高附劑和吸附質的接觸幾率，提升吸附量。

3.4 吸附產物分析

通過Ⅴisual MⅠNTEQ模擬1000mg∕L初始濃度鉛離子的水解形態(tài)的分布圖，見圖4。

圖4 不同pH下的鉛離子形態(tài)分布圖

對吸附鉛的硫酸鈣晶須進行XRD圖譜分析。見圖5，當pH=7時生成了PbSO4，在pH=8時有3PbO·PbSO4·H2O（三鹽基硫酸鉛）生成。

圖5 吸附產物固相XRD圖譜

表1 吸附等溫方程擬合參數(shù)

表2 吸附動力學方程的線性擬合數(shù)據(jù)

根據(jù)結晶理論，硫酸鈣晶須是層狀結構，Ca2+和SO42-之間由離子鍵連接，由于其生長方式是以基元臺階形式，其生長位點活性較強，所以SO42-從活性位點釋放，與Pb2+在晶須表面結合，以此完成硫酸鈣晶須對Pb2+的吸附作用[7]。

3.5 吸附等溫方程

用Langmuir、Freundlich兩種吸附等溫模型研究硫酸鈣晶須對Pb2+吸附特性。

由表1可知在溫度提高的情況下Langmuir方程的最大吸附量Qm和平衡系數(shù)KL不斷的提高。

隨著溫度由25℃上升到45℃的過程中，最大吸附量變大，可能是因為溫度上升Pb2+的擴散速率發(fā)生變化而導致的。Freundlich方程在不同溫度下的1∕n值均小于0.5，說明硫酸鈣晶須對鉛的吸附性能較好。

3.6 吸附動力學

評價吸附劑在吸附過程中的傳質速率，最好的方式就是進行吸附動力學的研究[8]。所以需要通動力學模型對吸附過程中硫酸鈣晶須和Pb2+相互作用的吸附動力學規(guī)律展開研究。由表2可知，該吸附過程遵循準二級動力學方程，所以說明硫酸鈣晶須對Pb2+的吸附受化學吸附主導，化學吸附涉及到吸附劑與吸附質之間的電子共用或電子轉移[9]。

4 結論

硫酸鈣晶須對鉛的去除率高、效果好、反應迅速。通過適當提高吸附環(huán)境的pH可以提高其對鉛的吸附效果，處理效率高。當處理pH為7，投加量為1g的情況下120分鐘鉛的去除率即可達到96.9%。通過熱力學和動力學模型分析發(fā)現(xiàn)其過程最為符合Langmiur方程和準二級動力學方程。

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譚睿祺，男，湖北人，碩士研究生，廣東安佳泰環(huán)?？萍加邢薰荆◤V東省危險廢棄物示范中心二期），研究方向：固廢處置及其資源化。

譚睿祺，李東
廣東安佳泰環(huán)?？萍加邢薰?/p>

Adsorption properties of calcium sulfate whiskers on Pb(Ⅱ)

Through the Static adsorption test of lead ion by calcium sulfate whiskers(CSW),We have discussed the performance and mechanism of the adsorption.Experimental results demonstrated that CSW exhibited high removal rate and superior processing efficiency on the lead ion treatment,and the lead ion removal rate was up to 97.54%.At the same time,based on the analysis of thermodynamics and kinetics shows that the main adsorption process of lead ion is control by monolayer chemical adsorption,and the law of the adsorption can be well simulated by Langmuir equation and second-order kinetic equation.

Calcium sulfate whiskers；Pb(Ⅱ)；Adsorption；Isotherm equation；Reaction kinetic equation