改性硅藻土處理銅離子污染水試驗(yàn)研究

摘要:硅藻土是一種天然的低成本礦物材料。它具有許多獨(dú)特的物理特性，并已被廣泛用作為吸附劑在廢水處理中。為了更好地理解硅藻土作為吸附劑去除銅污染廢水中銅離子，本文研究了在不同條件下硅藻上吸附銅離子的效能。結(jié)果表明，pH值是影響銅離子去除的最重要因素,在中性和弱酸性條件下,對銅離子的去除效果最佳。研究表明，在溶液中去除銅的最佳硅藻土劑量是2g,最佳吸附時(shí)間為30min.

關(guān)鍵詞:硅藻土:銅離子:重金屬污染:吸附:

 

1概述

安全供水是突發(fā)性水污染事件發(fā)生后最為敏感和緊迫的問題。目前，我國在安全供水應(yīng)急處置方面還很薄弱，一旦事件發(fā)生， 往往只能斷水。突發(fā)性環(huán)境污染事故風(fēng)險(xiǎn)很大，不同污染物的處理技術(shù)存在很大差異，現(xiàn)有的少數(shù)污染物的處理經(jīng)驗(yàn)井不能指導(dǎo)今后的污染事故應(yīng)急處理，尤其是重金屬污染。為了防患于未然，必須針對飲用水相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)中的重金屬污染物開展深入的研究。目前，常用處理重金屬污染的方法有化學(xué)沉淀法、膜過濾法，離子交換法和活性炭吸附法等川1。化學(xué)沉淀法需使用大量藥劑且重金屬的回收利用還需要進(jìn)一- 步的處理，成本較高:

    如投加藥劑過量會(huì)對水體造成二次污染。膜過濾法效果雖然理想，但膜組件設(shè)計(jì)困難，且膜污染難以控制，易堵塞以及膜的清洗費(fèi)用較高是限制其使用的難點(diǎn)。離子交換法中，樹脂的吸附有容量限制，且樹脂易中毒，樹脂的再生費(fèi)用也是相當(dāng)昂貴的。雖然活性炭吸附法因其處理程度高、應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性能強(qiáng)，且能再生利用等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，但是活性炭的制造以及再生處理都需要比較高的成本。因此,尋找更為經(jīng)濟(jì)適用的吸附劑來應(yīng)對突發(fā)水污染事件成為各研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來，硅藻土因具有孔隙率高、比表面積大、吸附性能強(qiáng)、性質(zhì)穩(wěn)定且無二次污染等優(yōu)點(diǎn)四而備受研究人員的關(guān)注。本文選取在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的重金屬銅離子為研究對象，以硅藻土作為吸附劑，探討了吸附時(shí)間，硅藻土最佳投加量、溶液初始pH值等因素對于重金屬離子去除的影響，為應(yīng)急處理重金屬污染提供有力的技術(shù)保證。

 

2材料與方法

2.1試劑與儀器

硅藻土是- -種具有生物結(jié)構(gòu)的古生物化石，是由古代單細(xì)胞低等植物硅藻的遺體堆積，經(jīng)過初步的成巖作用而形成的具有多孔性的生物硅質(zhì)巖，主要由80~-90%的硅藻殼組成。硅藻消耗海水、湖水中大量的氧化硅，構(gòu)成硅藥軟泥，經(jīng)石化形成硅藻土。硅藻殼由蛋白石組成，硅藻在生長繁街過程中，吸取水中膠態(tài)二氧化硅，并逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍资摹９柙逯饕腥缦聨追N(圖1) :

 

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本實(shí)驗(yàn)中采用的試劑:硅蓬土，CuSO:5H2O (上海紫一試劑廠)，濃硫酸(上海紫一試劑廠),

六聯(lián)攪拌器，恒溫箱，AAS400 原子吸收光譜儀( 。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1改性實(shí)驗(yàn)

       雖然硅藻土是天然的生物硅質(zhì)巖。表面含有大量的硅羥基，且有來源廣、無二次污染等特點(diǎn)，但對污染物質(zhì)的吸附性能與活性炭的吸附性能之間存在一-定差距。 因此，研究人員針對硅藻土的改性進(jìn)行了大量研究不同污染物采用不同的改性方法。在硅藻土對苯酚吸附試驗(yàn)研究中,張紅等以聯(lián)合改性劑(CTMAB一十六烷基三甲基溴化銨和TMAB--四甲基溴化銨)對硅藻土進(jìn)行改性,提高了苯酚的去除效率5。對于重金屬離子，羅道成0等向硅藻土中加入質(zhì)量濃度為10%的溴化十六烷基三甲銨溶液對其進(jìn)行改性研究。結(jié)果表明，改性硅藻土對重金屬離子Pb2+. Cu2+. Zn2+具有 很好的吸附作用,改性硅藻土的吸附性能明顯優(yōu)于天然硅藻土。夏士朋7提出了含碳酸鈣硅藻土是處理廢水中Cu、Cr、 Pb. Zn重金屬很好的吸附劑，在pH為7-10之間，采用靜態(tài)吸附試驗(yàn)，吸附容量為3.5-4mmolg。但硅藻土作為吸附劑，改性研究主要是通過單- -的物理或化學(xué)處理對硅藻土進(jìn)行表面改性,來提高硅

藻土的比表面積和表面負(fù)電荷1。在本實(shí)驗(yàn)中，對比選擇了三種方法，對硅藻土進(jìn)行了改性實(shí)驗(yàn)并研究其對重金屬的去除效果。第一種，物理和化學(xué)處理相結(jié)合的改性試驗(yàn):每10g的硅藻土中投加10mL的50%的硫酸，酸化60min后在200C煆燒，備用:第二種，物理處理:烘干硅藻土，過100目篩:第三種，物理處理:研磨硅藻土，放入1050C的恒溫箱烘烤24小時(shí)，取出備用。

 

2.2.2吸附實(shí)驗(yàn)

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將一定量的硅藻土投加到500mL的含有重金屬離子的水樣中，置于六聯(lián)攪拌機(jī)上，首先在400r/min的轉(zhuǎn)速下快速混合Imin.接著以90r/min 攪拌Smin.然后以45r/min攪拌10min，最后靜置30min，取上清液用濾紙過濾，并測定過濾液中目標(biāo)物質(zhì)的濃度。

2.3銅離子濃度的測定

用原子吸收光譜法測定銅離子濃度。

3結(jié)果與討論

3.1硅藻土改性實(shí)驗(yàn)

在改性實(shí)驗(yàn)中(投加50%的硫酸酸化、過100目篩子，，1050C 恒溫箱烘烤24小時(shí))，水樣中銅離子濃度為20mg/L，靜沉?xí)r間為30min。改性后，不同投加量的硅藻土對銅離子的去除效果如圖2:

 

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由圖2可知，研磨烘干的硅藻土對銅離子的去除效果最好，其次是過100日篩的硅藻土，最差的是硫酸酸化后的硅藻土。通過研磨烘干的硅藻土對銅離子的總?cè)コ示S持在94%左右，在硅藻土投加量為1.5g時(shí)，水樣中剩余銅離子濃度在Img/L以下，達(dá)到國家規(guī)定的銅離子排放標(biāo)準(zhǔn)(Cu2+ s lmg/L )。分析討論得出pH值和硅藻土顆粒粒徑是影響結(jié)果的主要原因。葉力佳等91在用硅深土對銅離子進(jìn)行吸附性能研究中指出，硅藻土對銅離子的去除串隨pH值的增加而增加，但硅藻土吸附銅離子時(shí)，pH值以中性和弱酸性條件為最佳。pH值對銅離子的去除率影響很大,其原因可以從電化學(xué)角度和硅藻土自身特性方便給子闡述。首先，從電化學(xué)的角度出發(fā)，硅藻土表面大量的硅羥基在水溶液中離解出H' ,使硅藻土呈負(fù)電性，其表面電位為ξ。當(dāng)pH 值的變化時(shí)，硅藻土的表面電位也隨之變化。有研

究報(bào)道在水溶液中硅藻土的等電點(diǎn)小于310。當(dāng)pH ≥3時(shí)ξ<0，隨著pH值的增大,ξ電位負(fù)的越多,吸附銅離子也就越多。其次，從硅藻土的自身特性出發(fā)，硅藻土的表面和孔內(nèi)表面分布有大量的硅羥基，帶正電的重金屬離子很容易取代硅藻土表面的硅羥基(Si- OH)基團(tuán)上的氫離子，從而發(fā)生吸附。硫酸酸化后的硅藻土投加到目標(biāo)水樣中，使水樣的pH值降低,硅藻土表面所帶負(fù)電減少，溶液中H+濃度增高,不利于Cu2+的吸附,故硅藻土對銅離子的去除效率較低。

     此外，硅藻土的表面電位與硅藻土的比表面積和顆粒粒徑有著密切關(guān)系，比表面積越大，粒徑越小，表面電位越大。有研究表明，硅藻土顆粒粒徑對于重金屬離子的去除率隨硅藻土粒徑的減小而增加。而在本實(shí)驗(yàn)中，過100日篩的硅藻土與研磨烘干的硅藻土沒有進(jìn)行嚴(yán)格的粒徑大小比較，研磨烘干的硅藻土粒徑整體比過100目篩的硅藻上要小，但顆粒粒徑對于去除皋的影響原因不太清楚，需要進(jìn)--步研究，以確定最適宜的硅藻土粒徑范圍。

 

3.2吸附實(shí)驗(yàn)

將一定量的硅藻土投加到500mL的含有重金屬離子的水樣中，置于六聯(lián)攪拌機(jī)上，首先在400r/min的轉(zhuǎn)速下快速混合1lmin, 接著以90r/min攪拌5min.然后以45r/min攪拌10min，最后靜置30min，取上清液用濾紙過濾，并測定過濾液中目標(biāo)物質(zhì)的濃度。由圖3可知，工況2時(shí)的水力條件下，硅藻土對銅離子的去除率最高。

3.2.1靜沉?xí)r間的影響

實(shí)驗(yàn)中銅離子濃度為20mg/L,硅藻土投量為3.5g(硅藻土過量投加)，分別取靜沉15. 20、 30、 40、50、 60、70min后的水樣進(jìn)行銅離子測定。由圖3可知，隨著靜沉?xí)r間的增加，硅藻土對銅離子的吸附速率越快，銅離子的去除率也越高，但30min之后吸附速度趨于減慢，這跟硅藻士吸附作用的機(jī)理密切相關(guān)。初期，硅藻土表面硅羥基富裕，銅離子首先到達(dá)硅藻土的外表面和部分微孔內(nèi)，并與硅羥基進(jìn)行離子交換作用:隨著時(shí)間的增加，被吸附的金屬離子逐漸增多，吸附在硅藻土表面的銅離子相互產(chǎn)生排斥力,使游離銅離子與其他位點(diǎn)的硅羥基發(fā)生交換的阻力增大。因此，吸附后期的吸附量增加緩慢。從實(shí)際角度出發(fā),硅藻土吸附去除Cu2 *的適宜時(shí)間為30min.

 

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3.2.2 pH值的影響

銅離子濃度為20mg/L，靜沉?xí)r間為30min,硅藻土投量為3.5g(硅藻土過量投加)，實(shí)驗(yàn)中通過濃硫酸的投加量來確定pH值的大小。由圖4可知，隨著濃硫酸投加量的增多，溶液pH值逐漸減小，溶液中銅離子剩余濃度增多，硅藻土對銅離子的去除率相應(yīng)減小。因此，硅藻士在中性條件下對銅離子去除效果最佳。

 

3.2.3硅藻土最佳投量

其他條件保持不變，溶液中銅離子濃度為20mg/L,各燒杯硅藻土的投加量分別為0.5.1.1.5. 2. 2.5. 3.5g.硅藻土投加量對銅離子去除效果的影響見圖5。由圖5可知，當(dāng)銅離子濃度一定時(shí)，銅離子的去除率隨硅藻土投加量增加而增加。硅藻土投量較小時(shí)，吸附銅離子速皋較快，當(dāng)投量達(dá)到lg(500mL中的投加量)后，溶液中銅離子的去除率變化就不大了，穩(wěn)定在94%左右。因此，考慮成本等因素，去除銅離子時(shí)硅藻土的最佳投量為2gL左右。

 

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3.2.4銅離子濃度的影響

其他條件不變，為了考察銅離子初始濃度對硅藻土作用效果的影響，選擇了銅離子初始濃度為5 mgL. 20 mg/L、25 mg/L時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，每-“濃度對應(yīng)的一-組實(shí)驗(yàn)中硅藻土投量分別為0.5、1. 1.5. 2. 2.5. 3.5g, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6.由圖6可知，銅離子初始濃度越低，硅藻土對它的去除串越高。硅藻土的比表面積、表面空隙以及表面的硅羥基總個(gè)數(shù)都是確定的，當(dāng)硅藻土用量-定時(shí)，銅離子初始濃度較低時(shí)，硅藻土表面及可利用微孔相對較多，從而銅離子很容易被大量吸附，井與硅羥基發(fā)生離子交換作用。比較不同初始濃度下銅離子的去除率，我們可以知道去除率隨硅藻土投加量增加而增加，硅藻土對于銅離子濃度的變化有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力:當(dāng)硅藻土用量在1~1.5g時(shí)，各初始濃度下的銅離子去除率至少在90%以上。

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4結(jié)論

(1)在對硅藻土的改性實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，研磨烘干的硅藻土對銅離子的去除效果最好，其次是過100目篩的硅藻士，最差的是硫酸酸化后的硅藻上,這說明pH值和硅藻土顆粒粒徑是

影響銅離子去除的重要因素。

(2)硅藻土對于銅離子濃度的變化有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力，為應(yīng)急處理重金屬污染提供有力的技術(shù)保證。

(3)在銅離子濃度為20mg/L時(shí),試驗(yàn)得出:研磨烘干硅藻土的最佳用量為2g/L左右:最佳吸附靜沉為30min : pH值是影響銅離子去除的最重要因素,在中性和弱酸性條件下,對銅離子的去除效果最佳。

 

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