固液相离子吸附体系中吸附剂浓度效应与Langmuir方程的适用性_赵芳

第26卷　第3期

2007年 5月环　境　化　学ENV I RONME NT AL CHE M I ST RY Vol .26,No .3May 2007

　2006年8月18日收稿.

　3948项目(2005202)和湖南省教育厅产业化推广项目(湘教发20032101)资助.33通讯联系人:E 2mail:wuxiaofu530911@vi p 11631co m

固液相离子吸附体系中吸附剂浓度效应与

Lang m u i r 方程的适用性

3赵　芳1　吴晓芙133　张艳丽1　黄中子2

(1　中南林业科技大学理学院,株洲,412006;2　上海工程技术大学化学化工学院,上海,201600)

摘　要　以蛭石吸附Zn 2+和Cd 2+为例,探讨Lang muir 方程在固液相离子吸附体系中的适用性,结果表明:传统吸附等温线随吸附剂浓度W 0增大而下降,吸附量q e 不仅仅由液相平衡浓度C e 所决定,而是C e 和W 0两个变量的函数;以Lang muir 方程的线性形式对实验数据进行拟合,在给定吸附剂浓度水平下的实验数据与Lang muir 方程拟合的相关性很好,但方程中的两个参数随吸附剂浓度增大而降低而且差异显著,表明Lang 2muir 方程仅适用于给定吸附剂浓度的体系,采用单一参数的Lang muir 方程难以准确描述试验检测范围内Zn 2+和Cd 2+

的吸附规律.关键词　吸附剂浓度效应,Lang muir 方程,锌,镉,蛭石.

常用来描述固2液体系中吸附行为的理论模型有Lang muir 及Freundlich 方程,其中应用最为广泛的是Lang muir 方程[1],方程中的两个参数吸附容量q m 与平衡常数K L 物理意义明确,许多研究中常用

Lang muir 方程的线性形式估算这两个参数,用来比较和描述不同吸附体系的吸附特性[2,3],探讨吸附

过程中的相关热力学问题

[3,4].但是,很多试验结果都显示Lang muir 方程的两个参数存在不稳定的现象,不同的研究者对此给出了种种不同的解释[5—7]. 本文以蛭石吸附Zn 2+和Cd 2+为例,从吸附剂浓度效应的角度对Lang muir 方程在固液相离子吸附

体系中的适用性进行探讨.

1　实验部分

天然矿物蛭石使用前过筛,取20—40目颗粒,用蒸馏水反复洗涤后,置于烘箱中于100—105℃烘干,放入干燥器中备用.

准确称量一定量的蛭石放入250m l 具塞磨口锥形瓶中,分别加入100100m l 浓度为50,100,200,300和500mg ・l -1的锌或镉溶液,于水浴恒温振荡器中振荡,过滤,测定滤液中锌和镉的含量.

预试验结果表明:蛭石对Zn 2+和Cd 2+的吸附大约在8h 即已趋于平衡,为确保达到平衡,等温吸

附实验均采用振荡24h,再静置8h 后过滤.

单位吸附剂的平衡吸附量用下式计算:

q e =(C 0-C e )/W 0=C 0/W 0-C e /W 0(1)

式中,C 0和C e 分别为吸附前后溶液中金属离子的质量浓度(mg ・l

-1);W 0为溶液中吸附剂的浓度(g ・l -1).

2　结果与讨论

211　Lang muir 等温吸附曲线

图1分别给出了Zn 2+和Cd 2+离子在5个吸附剂浓度(W 0)水平上的q e 2C e 等温吸附曲线.从图1

可以看到,在每一个W 0水平上,锌和镉离子的等温吸附曲线基本符合Lang muir 吸附理论,即当W 0

336　环 境 化 学26卷不变时,q e 与C e 具有较好的相关性,然而当W 0变化时,不同W 0水平上的离子吸附等温线之间却存在着显著的差异,基本趋势是吸附等温线随吸附剂浓度W 0增大而下降,在检测的W 0变化范围内,q e 与C e 不具有惟一对应的值.这一现象与前人提及的“吸附剂浓度效应”[8,9]

所反映的规律完全一致.本实验通过大量重复分析所获得的数据证实,传统定义的吸附等温线存在明显吸附剂浓度效应,该现象说明:在等温条件下,除非给定吸附剂浓度W 0,吸附平衡时单位吸附剂的吸附量q e 不惟一是由液相平衡浓度C e 所决定,即q e 是C e 和W 0两个变量的函数.

212　Lang muir 方程参数

式(2)为Lang muir 等温吸附方程的一种线性表达式,应用中通常以C e 对C e /q e 作图得一直线,该直线的斜率和截距则分别为q m 和K L .

C e =q m (C e /q e )-K L (2)

表1给出了基于式(2)分析得出的结果.从线性相关系数(R 2)来看,在各个吸附剂浓度W 0水平

上,C e 与C e /q e 具有良好的线性相关性,但从估测的方程参数值来看,当W 0变化时,q m 和K L 均不恒定为常数,且在不同W 0水平之间的差异很大,锌离子吸附数据的总体趋势是两个参数值都随W 0增大而降低,镉的K L 值随W 0增大变化的规律有些差异,但基本趋势与锌相似.

Lang muir 方程中的q m 代表吸附剂的吸附容量(即单位吸附剂的最大吸附量),为吸附剂的特征系数,给定吸附质,q m 的大小应该唯一由吸附剂的性质来确定,与吸附剂浓度无关;参数K L 值是吸附平衡常数,理论上,给定吸附体系,K L 值只与温度有关,与吸附质和吸附剂的浓度无关.表1中的q m 和K L 值随吸附剂浓度变化而变异的现象,说明在某一吸附剂浓度水平上分析得出的Lang muir 方程参数,不能用以描述另一吸附剂浓度水平上的离子吸附规律.

表1　不同吸附剂浓度时Lang muir 等温式的参数(25℃)

Table 1　Para meters of Lang muir model esti m ated at different ads orbent (ver m iculite )concentrati on levels

吸附剂浓度/g ・l

-1Zn 2+Cd 2+q m /mg ・g -1K L R 2q m /mg ・g -1K L R 210

510724194019946186231900199820

411826192019925182241660199750

3119201330199441352712501993100

21581810501979312224167019541502104

141380195521361613701951均值3142

20192415223137综合数据33143191610184241862518801761

　3综合5个W 0水平数据的线性分析结果.