凹凸棒石和海泡石对镉离子的吸附效果

万方数据
第６期
王 荐等： 凹凸棒石和海泡石对镉离子的吸附效果
· ９８７·
等［６］ 通过静态法和交换柱法处理不同浓度模拟铅 废水，２ 种方法效果基本一致，排放液中铅残余质量 浓度均小于 １ ｍｇ·Ｌ－１。 崔瑞萍等［７］ 发现伊利石对 水溶液中低浓度铀的吸附效果主要受反应时间、溶 液初始浓度、ｐＨ 值、离子强度、固液比以及温度等因 素影响。 杨胜科等［８］ 将 ０．０２ ｇ 海泡石加入到 ５０ ｍＬ ρ（ Ｃｄ２＋ ） 为 １ ｍｇ·Ｌ－１ 的溶液中，在 ｐＨ 值为 ７������ ０ 的 条件下，可将 ρ（ Ｃｄ２＋ ） 降至 ０������ ０５ ｍｇ·Ｌ－１；溶液中离 子强度是影响矿物材料吸附重金属效果的主要影 响因素之一，矿物材料对重金属离子的吸附所涉及 的作用力主要是黏土固相表面负电荷与金属离子 间的静电引力，海泡石表面电荷密度与溶液电解质 离子强度间存在一定相关性［９］ 。 笔者选用江苏盱 眙矿区开采的高低品位凹凸棒石黏土、湖南湘潭矿 区开采的高低品位海泡石等矿物材料，初步探讨一
生态与农村环境学报 ２０１６， ３２ （６） ： ９８６－９９１
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｃｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｒｕｒａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
凹凸棒石和海泡石对镉离子的吸附效果
王 荐１，２，３ ， 李仁英１ ， 何 跃２，３① ， 吴运金２，３ ， 焦少俊２ ， 赵 莉４ （ １������ 南京信息工程大学应用气象学院， 江苏
理、化学吸附 性 强， 储 量 丰 富， 价 格 低 廉， 因 而 作 为 废水中重 金 属 吸 附 材 料 具 有 较 好 前 景。 宋 金 如
收稿日期： ２０１６－０３－１８ 基金项目： 中央级公益性科研院所基本科研业务专项（ ２０１５０３８） ； 中国科学 院 盱 眙 凹 土 应 用 技 术 研 发 与 产 业 化 中 心 开 放 性 课 题 （ ２０１４１２，２０１５０６） ① 通信作者 Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｈｅｙｕｅ＠ ｎｉｅｓ．ｏｒｇ
我国重金属污染问题日益突出，据《 全国土壤 污染状况调查公报》 ［，污染类型以无机型为主，无机污染物 超标点位数占全部超标点位的 ８２������ ８％，其中镉点位 超标率为 ７������ ０％，镉引起的环境污染尤为突出，各种 镉污染事件屡见报道［２－５］ 。 天然黏土矿物由于良好 的内孔道结构、较大的比表面积和离子交换性即物
物各 １������ ０ ｇ 于 ４３ ｍＬ 棕色瓶中，分别加入 ４０ ｍＬ 不 同初始浓度的重金属 Ｃｄ２＋ 溶液（ ２５、１２５、２５０、３７５、 ５００、６２５ ｍｇ·Ｌ－１） ，溶液离子强度为 ０������ ０１ ｍｏｌ·Ｌ－１ ＮａＮＯ３，溶 液 ｐＨ 值 为 ７������ ０。 每 个 处 理 设 置 ３ 个 平 行，置于吸附反应混合仪（ １５０ ｒ·ｍｉｎ－１ ） 平衡 ３ ｈ， ２ ０００ ｒ·ｍｉｎ－１下离心 ３ ｍｉｎ（ 离心半径为 １０ ｃｍ） 。
定离子强度下黏土矿物材料吸附 Ｃｄ２＋ 的影响机制， 并比较不同 初 始 浓 度、 黏 土 矿 物 添 加 量、 平 衡 时 间 和 ｐＨ 值条件下黏土矿物对 Ｃｄ２＋ 的吸附效果，该研 究可为开发天然黏土矿物型镉污染稳定化修复药 剂提供理论和数据支持。
１ 材料与方法
１������ １ 供试材料 供试黏土矿物产地和性状描述见表 １。 矿物组
矿物组成
凹凸棒石＋石英＋沸石 凹凸棒石＋石英 海泡石＋沸石＋石英＋云母石 海泡石＋方解石＋石英
１������ ２ 试验设计 供试药剂 Ｃｄ （ ＮＯ３ ） ２ ·４Ｈ２Ｏ、ＮａＮＯ３、ＮａＯＨ 和
ＨＣｌ 均为分析纯。 （１） 初始浓度对 Ｃｄ２＋ 的吸附影响 在室温 ２５ ℃ 条件下，分别准确称取 ２ 种黏土矿
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ａｔｔａｐｕｌｇｉｔｅ ａｎｄ Ｓｅｐｉｏｌｉｔｅ Ａｄｓｏｒｂｉｎｇ Ｃａｄｍｉｕｍ ｉｎ Ａｑｕｅｏｕｓ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ． ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ１，２，３ ， ＬＩ Ｒｅｎ⁃ｙｉｎ１ ， ＨＥ Ｙｕｅ２，３ ， ＷＵ Ｙｕｎ⁃ｊｉｎ２，３ ， ＪＩＡＯ Ｓｈａｏ⁃ｊｕｎ２ ， ＺＨＡＯ Ｌｉ４ （１������ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４４， Ｃｈｉｎａ； ２������ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４２， Ｃｈｉｎａ； ３������ Ｓｔａｔｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４２， Ｃｈｉｎａ； ４������ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｙｏｎｇｗｅｉ Ｆｏｒｅｖｅｒｗａｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ． Ｌｔｄ．， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ａｔｔａｐｕｌｇｉｔｅ ａｎｄ ｓｅｐｉｏｌｉｔｅ ａｄｓｏｒｂｉｎｇ Ｃｄ２＋ ｉｎ ａｑｕｅｏｕｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ， ｓｏｌｉｄ⁃ ｌｉｑｕｉｄ ｒａｔｉｏ， ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｐＨ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｓｔａｔｉｃ ｂａｔｃｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ａ ｓｅｔ ＮａＮＯ３ ｉｏｎｉｃ ｓｔｒｅｎｇｔｈ （０������ ０１ ｍｏｌ·Ｌ－１ ） ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ， ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｅｔ ＮａＮＯ３ ｉｏｎｉｃ ｓｔｒｅｎｇｔｈ， Ｃｄ２＋ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｐｉｏｌｉｔｅ ａｎｄ ａｔ⁃ ｔａｐｕｌｇｉｔｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｇｒａｄｅ ａｎｄ ａｔｔａｐｕｌｇｉｔｅ ｏｆ ｌｏｗ ｇｒａｄｅ ｉｓ ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｄ２＋ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ， ｂｕｔ ｎｅｇａｔｉｖｅｌｙ ｔｏ ｓｏｌｉｄ⁃ｌｉｑｕｉｄ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ． Ｆｉｔｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｌａｎｇｍｕｉｒ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｒｅｖｅａｌｓ ａｎ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｈｉｇｈ ｇｒａｄｅ ａｔｔａｐｕｌｇｉｔｅ （３３������ ６７ ｍｇ·ｇ－１ ） ＞ｈｉｇｈ ｇｒａｄｅ ｓｅｐｉｏｌｉｔｅ （２５������ ５５ ｍｇ·ｇ－１ ） ＞ｌｏｗ ｇｒａｄｅ ａｔｔａｐｕｌｇｉｔｅ（１１������ ５２ ｍｇ·ｇ－１ ） ＞ｌｏｗ ｇｒａｄｅ ｓｅｐｉｏｌｉｔｅ （５������ ２４ ｍｇ·ｇ－１ ） ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｃｄ２＋ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ； Ｃｄ２＋ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｎ ｓｅｐｉｏｌｉｔｅ ａｎｄ ａｔ⁃ ｔａｐｕｌｇｉｔｅ ｉｓ ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｐＨ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ， ａｎｄ ｐｅａｋｓ ｗｈｅｎ ｐＨ ｉｓ ２－４； Ｃｄ２＋ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｎ ａｔｔａｐｕｌｇｉｔｅ ｉｓ ｒｅｌａ⁃ ｔｉｖｅｌｙ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅａｃｈｅｓ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｉｎ ３ ｈ； ｉｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ０������ ０１ ｍｏｌ·Ｌ－１ ＮａＮＯ３ ｉｎ ｉｏｎｉｃ ｓｔｒｅｎｇｔｈ， ６２５ ｍｇ·Ｌ－１ ｉｎ ｉｎｉｔｉａｌ Ｃｄ２＋ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ， １５ ｇ·Ｌ－１ ｉｎ ｃｌａｙ ｍｉｎｅｒａｌ ａｄｄｉｔｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ａｎｄ ２－４ ｉｎ ｐＨ， ｔｈｅ ｍｉｎｅｒａｌｓ ｄｉｓｐｌａｙ ａｎ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｈｉｇｈ ｇｒａｄｅ ｓｅｐｉｏｌｉｔｅ＞ ｈｉｇｈ ｇｒａｄｅ ａｔｔａｐｕｌｇｉｔｅ＞ ｌｏｗ ｇｒａｄｅ ａｔｔａｐｕｌｇｉｔｅ＞ｌｏｗ ｇｒａｄｅ ｓｅｐｉｏｌｉｔｅ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ Ｃｄ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｅｐｉｏｌｉｔｅ； ａｔｔａｐｕｌｇｉｔｅ； ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ； ｃａｄｍｉｕｍ
表 １ 黏土矿物产地和矿物组成 Ｔａｂｌｅ １ Ｏｒｉｇｉｎｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌａｙ ｍｉｎｅｒａｌｓ
黏土矿物类型
高品位凹凸棒石 低品位凹凸棒石 高品位海泡石 低品位海泡石
产地
江苏盱眙 江苏盱眙 湖南湘潭 湖南湘潭
性状描述
灰色黏土，致密层状 浅灰色黏土，松散土状 紫灰色黏土，致密片状 浅紫灰色黏土，致密片状
成分析由南京林业大学现代测试中心完成（ Ｘ 射线 衍射仪为日本理学 Ｕｌｔｉｍａ ／ ＩＶ 型） ，测定条件为：铜 靶，扫描范围 ３° ～ ６０°，步长 ０������ ０２°，管压 ３５ ｋＶ，管流 ２０ ｍＡ。 测定结果用 Ｊａｄｅ ５������ ０ 软件处理。 采集的凹 凸棒石、海泡石经 １０５ ℃ 烘干后过 ０������ ３ ｍｍ 孔径筛 备用。
南京 ２１００４４； ２������ 环境保护部南京环境科学研究所， 江苏 南京 ２１００４２； ３������ 国家环境保护土壤环境管理与污染控制重点 实验室， 江苏 南京 ２１００４２； ４������ 江苏永威环境建设股份有限公司， 江苏 南京 ２１００００）
摘要： 采用静态批试验方法研究了凹凸棒石和海泡石对溶液中 Ｃｄ２＋ 的吸附特性，并通过考察一定离子强度下，不 同初始浓度、固液比、吸附时间和 ｐＨ 值对吸附镉的影响。 结果显示：在 ０������ ０１ ｍｏｌ·Ｌ－１ ＮａＮＯ３ 离子强度下，高品位 海泡石、凹凸棒石和低品位凹凸棒石对溶液中 Ｃｄ２＋ 的吸附量与初始浓度呈正比，与固液比呈反比；根据 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附方程拟合结果，在给定离子强度 ２５ ℃ 条件下黏土矿物 Ｃｄ２＋ 的理论饱和吸附量从大到小依次为高品位凹 凸棒石（３３������ ６７ ｍｇ·ｇ－１ ） 、高品位海泡石（２５������ ５５ ｍｇ·ｇ－１ ） 、低品位凹凸棒石（１１������ ５２ ｍｇ·ｇ－１ ） 和低品位海泡石（５������ ２４ ｍｇ·ｇ－１ ） ；Ｃｄ２＋ 在海泡石、凹凸棒石上的吸附受 ｐＨ 值的影响较大，在 ｐＨ 值为 ２ ～ ４ 时吸附效果最好；凹凸棒石对 Ｃｄ２＋ 的吸附较为稳定，在 ３ ｈ 时基本达到吸附平衡；在离子强度为 ０������ ０１ ｍｏｌ·Ｌ－１ ＮａＮＯ３ 、Ｃｄ２＋ 初始浓度为 ６２５ ｍｇ· Ｌ－１ 、黏土矿物添加量为 １５ ｇ·Ｌ－１ 和 ｐＨ 值为 ２ ～ ４ 时，去除效果从大到小依次为高品位海泡石、高品位凹凸棒石、低 品位凹凸棒石和低品位海泡石。 关键词： 海泡石； 凹凸棒石； 吸附； 镉 中图分类号： Ｘ５３ 文献标志码： Ａ 文章编号： １６７３－４８３１（２０１６）０６－０９８６－０６ ＤＯＩ： １０．１１９３４ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８３１．２０１６．０６．０１８