几种吸附材料处理重金属废水的效果
摘要：用室内 分析 的 方法 研究 了几种吸附材料对含铬、铜、锌、铅的废水的吸附处理效果。结果表明，在几种吸附材料中，以活性炭的吸附量和去除率比较高，且吸附量随废水中重金属含量的降低而减小，除铬外，其他离子的去除率则以低浓度时比较高。所有吸附材料均对铅的吸附量比较大，改性硅藻土和改性高岭土对重金属的吸附量也比较大，宜于在重金属处理中作为吸附剂推广使用。
关键词：吸附材料 重金属废水 吸附率 吸附量
近年来，含有重金属的废水对人类的生活环境造成了巨大的危害，重金属离子随废水排出，即使浓度很小，也能造成公害，严重污染环境， 影响 人们的健康。所以，研究如何降低废水中重金属的含量，减轻重金属对环境的污染具有重大意义。 目前 ，去除废水中重金属的方法主要有三种：一是通过发生化学反应除去废水中重金属离子的方法 [1];二是在不改变废水中的重金属的化学形态的条件下对其进行吸附、浓缩、分离的方法;三是借助微生物或植物的絮凝、吸收、积累、富集等作用去除废水中重金属的方法[2]。其中吸附法是比较常用的方法之一。本试验采用物理吸附的方法研究几种吸附材料处理含重金属废水的效果，以便找出比较高效和便宜的吸附材料，为降低处理含重金属的废水成本和增加 经济 效益服务。
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 吸附材料 实验所用吸附剂除黄褐土外均来自于安徽 科技 学院资源与环境实验室，部分吸附材料在查阅 文献 的基础上进行了化学改性[3，4]。 所用的吸附材料包括改性硅藻土、酸改性高岭土、改性高岭土、活性炭和黄褐土。改性硅藻土的处理过程为：将40 g硅藻土加入到0.1 mol/L的Na2CO3溶液中，边搅拌边慢慢地加入饱和的CaCl2溶液。反应结束后，过滤，置于烘箱内 105 ℃条件下干燥。酸改性高岭土的处理过程为：将高岭土过100目筛，在850 ℃煅烧5 h后，取一定量的高岭土加盐酸浸没，在90 ℃恒温下处理7 h，4000转下离心分离30 min，洗涤，120 ℃下烘干过夜。改性高岭土的处理过程为：取5 g高岭土加入2 g SiO2，1 g Na2CO3，1 g KClO3放入研钵中研细，混匀，置于高温炉中，控制温度在800 ℃，恒温3 h。活性炭直接取自于资环实验室。黄褐土采自于安徽科技学院种植科技园，土壤样品采集后，风干，过100目筛备用[4]。
1.1.2 含重金属废水 本试验所用含重金属废水均为自行配制的不同浓度重金属溶液。用硝酸铜、硝酸铬、硝酸铅和硝酸锌分别配制铬、铜、锌、铅摩尔浓度分别为0.10、0.05、0.01 mol/L的重金属废水。
1.2 试验方法
分别称取1 g吸附材料(改性硅藻土、酸改性高岭土、改性高岭土、活性炭、黄褐土)加入200 mL不同浓度的含重金属废水中，混合，振荡24 h后，过滤，并测定处理后的滤液中重金属的含量。用原子吸收分光光度计测定吸附平衡时溶液中的铬、铜、锌、铅的含量(测定需将平衡液稀释)，并 计算 出溶液中剩余重金属的量。用差减法计算各种吸附材料吸附重金属的量。
2 结果与分析
不同重金属浓度下几种吸附材料对废水中不同重金属的吸附量和去除率见表1。
表1 不同重金属浓度下不同吸附材料对重金属的吸附量和去除率
|
重金属类别 |
吸附材料
|
废水中重金属原来的浓度/（mol·L-1）
|
|||||
|
0.1
|
0.05
|
0.01
|
|||||
|
吸附量/(mg·g-1)
|
去除率/%
|
吸附量 /(mg·g-1)
|
去除率/%
|
吸附量 /(mg·g-1)
|
去除率/%
|
||
|
铬 |
活 性 炭
|
39.85
|
76.63
|
16.87
|
64.88
|
3.17
|
61.04
|
|
酸 改 性 高 岭 土
|
37.35
|
71.83
|
15.15
|
58.26
|
2.27
|
43.62
|
|
|
改 性 硅 藻 土
|
28.61
|
55.02
|
12.28
|
47.23
|
1.80
|
34.62
|
|
|
改 性 高 岭 土
|
15.04
|
28.92
|
4.95
|
19.04
|
0.84
|
16.19
|
|
|
黄 褐 土
|
8.93
|
17.17
|
3.53
|
13.56
|
0.48
|
9.23
|
|
|
铜 |
活 性 炭
|
21.76
|
34.00
|
10.88
|
34.00
|
3.90
|
61.00
|
|
酸 改 性 高 岭 土
|
1.92
|
3
|
1.28
|
4
|
0.77
|
12.00
|
|
|
改 性 硅 藻 土
|
12.16
|
19.00
|
9.6
|
30
|
3.07
|
48.00
|
|
|
改 性 高 岭 土
|
10.24
|
16.00
|
4.95
|
15.47
|
1.66
|
26.00
|
|
|
黄 褐 土
|
0.98
|
1.53
|
1.00
|
3.13
|
1.02
|
15.94
|
|
|
锌 |
活 性 炭
|
46.19
|
71.06
|
23.35
|
71.85
|
4.62
|
71.00
|
|
酸 改 性 高 岭 土
|
19.5
|
30.00
|
11.53
|
35.47
|
1.70
|
26.22
|
|
|
改 性 硅 藻 土
|
38.35
|
59.00
|
19.83
|
61.02
|
3.12
|
48.00
|
|
|
改 性 高 岭 土
|
34.53
|
53.12
|
18.31
|
56.33
|
2.53
|
39.01
|
|
|
黄 褐 土
|
1.50
|
2.31
|
0.94
|
2.89
|
0.78
|
12.04
|
|
|
铅 |
活 性 炭
|
155.50
|
75.12
|
84.71
|
81.85
|
19.98
|
96.52
|
|
酸 改 性 高 岭 土
|
62.10
|
36.00
|
38.48
|
37.18
|
8.12
|
39.22
|
|
|
改 性 硅 藻 土
|
121.18
|
58.54
|
62.12
|
60.02
|
12.34
|
59.63
|
|
|
改 性 高 岭 土
|
109.96
|
53.12
|
59.46
|
57.45
|
12.22
|
59.01
|
|
|
黄 褐 土
|
4.81
|
2.32
|
2.78
|
2.69
|
0.63
|
3.03
|
|
2.1 几种吸附材料对废水中铬的吸附效果
不同铬浓度下，不同吸附材料对水中铬的吸附量和去除率不同。在同一浓度下，不同吸附剂对铬的吸附量分别为活性炭>酸改性高岭土>改性硅藻土>改性高岭土>黄褐土，其对铬的去除率亦表现出同样的趋势。表明吸附材料对水中铬的吸附能力均较黄褐土大。不同吸附剂对水中铬的吸附能力不同主要是由其分子结构和化学性质的不同所造成的[5，6]。
从表1中也可以看出，随着含铬废水中铬浓度的减小，同种吸附剂对废水铬的吸附量和去除率随之变小。例如，不同吸附剂对原液摩尔浓度为0.01 mol/L的废水的吸附量仅为不同吸附剂对原液摩尔浓度为0.1 mol/L的处理的吸附量的1/10。这是因为当溶液中铬浓度比较大时，向溶液中加入吸附剂，吸附剂接触的铬量较多，吸附比较完全，同时因溶液中铬离子比较多，吸附的铬也不容易解析的缘故。因此，废水中铬浓度较大时去除效果较好。
2.2 几种吸附材料对废水中铜的吸附效果
由表1可以看出，几种吸附材料对废水中的铜的吸附性能与铬不同。同一铜浓度下，几种材料对铜的吸附量顺序为活性炭>改性硅藻土>改性高岭土>酸改性高岭土>黄褐土，同样各种吸附材料对废水中铜的吸附能力较黄褐土大。不同吸附材料对不同重金属的吸附性能不同，除与吸附材料的结构和性质不同有关外，可能还与不同重金属的性质及其与吸附材料的亲和能力大小有关。
随着废水中铜浓度的降低，不同吸附材料对铜的吸附量减小，但对废水中铜的去除率增大，所以废水中铜含量比较低时吸附去除率较高。
2.3 几种吸附材料对废水中锌的吸附效果
不同吸附材料对锌的吸附效果不同。在同一浓度时，不同吸附材料对锌的吸附量顺序为活性炭>改性硅藻土>改性高岭土>酸改性高岭土>黄褐土。这是因为酸改性高岭土处理后表面酸性增加[4]，当将其加入含锌废水时，锌不易形成沉淀从而导致其吸附量较改性高岭土的低。
与吸附材料对铬、铜的吸附一样，它们的吸附量随着溶液锌离子浓度的降低而减少。随溶液浓度的改变，其去除率的变化没有明显的 规律 性，但以锌摩尔浓度为0.05 mol/L时，去除率较高。
2.4 几种吸附材料对废水中铅的吸附效果
从表1中可以看出，不同吸附材料对废水中铅的吸附与其对铜的吸附相似。同一浓度时，其吸附量大小顺序为活性炭>改性硅藻土>改性高岭土>酸改性高岭土>黄褐土。且其对铅的吸附量随铅浓度的减小而减小，去除率随浓度的减小而增加。
3 结 语
高岭土为粘土矿物的一种，其结构为二八面体，有1:1的硅氧四面体和铝氧八面体组成，属三斜晶系，在该矿物晶格中，存在少量离子的相互置换[7]。高岭土表面存在羟基，亲水性较强。因其阳离子代换量小，所以直接 应用 效果不明显。酸改性高岭土的表面改性过程主要是经过煅烧，使其表面酸度增强，表面官能团和反应的活性点也发生了变化[4]，改性高岭土的表面改性过程是使用一种无机物包裹在高岭土的表面，达到表面改性的效果。硅藻土是古代单细胞低等植物硅藻的遗体堆后，经过初步的成岩作用而形成的具有多孔性的生物硅质岩。因其孔隙率高，比表面积大，所以吸附正电荷能力强[8]，但表面带负电荷[9]，因废水中胶体一般表面也带负电荷，所以直接应用只起到压缩双电层的作用，本试验在硅藻土中加入混合絮凝剂复合制成改性硅藻土后，吸附效果较好。
本试验的结果表明，不同吸附材料对含铬、铜、锌、铅废水的吸附量和去除率不同。一般情况下随着废水中重金属浓度的增加，吸附量增大，除铬外，对重金属的去除率则有随废水浓度降低而增加的趋势。
当然，吸附剂的吸附量和去除率还与废水的pH有关。不同吸附剂去除不同重金属离子发生完全吸附的条件不同。就本试验而言，各种吸附剂对废水中铅的吸附量比较大。在不同吸附剂中，活性炭吸附量和去除率均较大，是比较理想的吸附材料，只是活性碳的价格比较贵，限制了它的广泛使用。与一般土壤相比，改性硅藻土和改性高岭土的吸附量也比较大，且它们在静态或动态条件下均可应用，价钱便宜，制备方便，有一定的机械强度，宜于在重金属处理中作为吸附剂推广使用。
参考 文献
1 王绍文，姜风有.重金属废水治理技术.北京:冶金 工业 出版社，1993
2 杨 骏，秦涨峰，陈戎英.活性碳吸附水中铅离子的动态 研究 .环境 科学 ，1997，16(5)：423～427
3 夏士朋，石 诚.改性硅藻土处理废水中重金属离子.河南化工，2002，(5)：24～25，51
4 吴宏海.高岭土表面改性与 应用 .桂林工学院学报，1996，(3)：318～321
5 刘转年，周安宁，金奇庭.粘土吸附剂在废水处理中的应用.环境污染治理技术与设备，2003，4(2)：54～58
6 王绪海，卢旭晨.高岭土表面改性研究进展.化工矿物与加工，2004，(3)：1～3，10
7 梁成华.地质与地貌学.北京： 中国 农业出版社，2002.40
8 于 漧，包亚芳.硅藻土在污水处理中的应用.中国矿业，2002，11(2)：33～36
9 蒋小红，曹达文，周恭明，等.硅藻土处理城市污水技术.重庆环境科学，2003，25(11)：73～76
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