膨润土吸附实验

蒙脱石的特性决定了膨润土的 基本性能，它是由两层硅氧四面体 片和一层夹于其间的铝(镁)氧(羟基) 八面体片构成的2:1型层状硅酸盐矿 物，属单斜晶系。 这种结构使得膨润土具有良好 的可膨胀性、吸附性、阳离子交换 性能、分散性和悬浮性。
膨润土晶体结构：
四片体及四面体片： 四片体及四面体片： 硅氧四面体片系由处于同一平面的硅氧四 面体的三个顶点氧与相邻硅氧四面体共用而连 结成一系列近似六方环网格的硅氧片
吸附热力学：
(1) 配制pH为5.6的浓度分别为10 mmol/L、20 mmol/L、 40 mmol/L、50 mmol/L、60 mmol/L、80 mmol/L的Cu2+ 溶液备用； (2) 准备一组带有标号的锥形瓶，共6个。向每个锥形瓶中 各放入0.1 g的膨润土； (3) 分别向每个锥形瓶中依次加入100 mL不同浓度的Cu2+ 溶液； (4) 将各锥形瓶皆置于25℃静置吸附24 h后离心取样； (5) 使用紫外分光光度计测定原溶液及吸附后溶液的剩余 Cu2+浓度，由相应公式计算吸附量； (6) 作膨润土的平衡浓度—吸附量曲线，即等温吸附线。 以上步骤在45℃、 60℃各重复一次，作不同温度下的等 温吸附线，并用等温吸附模型进行拟合。
取50 mmol/L的CuSO4溶液与去离子水作参比测定其紫外吸收光谱图3-1
图3-1、铜离子的最佳吸收波长
由上图3-1中可以看出在波 长780nm左右处出现强吸收峰， 这就表明铜离子的最佳吸收波长 在780nm范围内，所以在测定铜 离子的浓度时应选定在这一波长 范围内。
铜离子浓度标准曲线的绘制
图3-5 各类溶液吸收曲线
由图3-5可知用缓冲溶液配制的铜离子溶液的两 条线重叠并且吸收明显大于用水配成的，因此肯定 了上述对动力学实验结果的分析，因此在以后的实 验中所涉及的溶剂均应统一为缓冲溶液。
实验展望
由于对本实验我们仅进行首次 试验，另外时间及实验设备条件限 制，本研究尚未完成，在下学期毕 业设计实验中我将会继续解决上面 提及的问题，还需要进行膨润土对 铜离子吸附的热力学与动力学的深 入研究，以改性膨润土和与树脂复 合的方法来增强吸附效果。
2+的 膨润土对水溶液中Cu 膨润土对水溶液中
吸附性能研究
研究课题：
膨润土吸附水溶液中Cu2+的动力学及热力学研究
学院（系）： 环境与化学工程学院 专 业： 08级精细化工 宋子彬 080110010004 肖海燕
学生 姓名： 学 号：
指导 教师：
Study on adsorption of Cu2+ in water with bentonite
八片体及八面体片： 八片体及八面体片： 铝(镁)氧(基)八面体片是以铝(镁)为中心原子， 并与彼此顶点相对的四面体片的四个顶点氧处于同 一平面的两个羟基构成六配位的铝(镁)氧(羟基)八面 体，这些八面体彼此借—(OH)与相邻八面体中心原 子配位相连组成铝(镁)氧(羟基)八面体片
主要药品：
吸附实验中重要计算公式：
图3-3 不同pH对应的吸光度
以上图3-3曲线表示不同pH的缓冲溶液在 相同量的吸附剂作用下达到吸附平衡并对其离 心得到上层清夜所测得吸光度曲线。从图中可 以看出不同的pH对吸附程度的影响是不同的 。所查文献pH对吸附能力的影响是先随着pH 的增加而增加，到pH=5.6时达到最高之后又 不断减少。而我所做出的结果显示在pH=5.6 时反而偏小，根据分析可能是实验所用试剂及 仪器受到影响、测量次数太少，仅一次具有偶 然性、或者数据有偏差，操作失误等因素造成 的，由于现阶段时间不足，所以我将在下阶段 的实验安排里继续进行这方面探究和分析。
处理含铜离子废水的方法很多，如 化学沉淀法、离子交换法、吸附法、电 解法、膜分离法、氧化还原法等．但是 化学法、硫化法、电解法等这些方法均 会产生一些重金属沉淀和化学污泥，造 成二次污染。吸附法就不存在这个缺点， 因此现在得到广泛应用。 吸附法使用的吸附剂主要有活性炭、 硅胶、硅藻土和粘土等处理.
本实验着重研究了膨润土原土(钙 本实验着重研究了膨润土原土 钙 基土) 在不同pH值 基土 在不同 值、金属离子浓度 和不同吸附剂用量条件下对水溶液 去除效果的影响， 中Cu2+去除效果的影响，及对其热 力学动力学性能分析探究， 力学动力学性能分析探究，并考察 了初始离子浓度和吸附剂用量共同 作用对Cu 去除效果的影响。 作用对 2+去除效果的影响。
pH的影响：
(1) 准备一组带有标号的锥形瓶，共6个。每个锥形瓶中各放 入0.1 g膨润土； (2) 依据相关资料中缓冲液配制方法，用0.2mol/L醋酸钠和 0.2mol/L醋酸溶液按比例配制pH依次为3.6、4.6、5、5.6的 缓冲溶液，和氢氧化钠配制溶液pH =9做铜离子溶剂，另取 去离子水做pH =7吸附实验，分别以这些溶液为溶剂配制50 mmol/L Cu2+溶液； (3) 分别取10 mL不同pH的Cu2+溶液至于放有膨润土的锥形 瓶中，将各锥形瓶皆置于室温下静置吸附24 h后离心取样； (4) 使用紫外分光光度计测定原溶液及吸附后溶液的剩余 Cu2+浓度，由相应公式计算吸附量； (5) 作膨润土的pH—吸附量曲线。
吸附动力学：
(1) 准备一组带有标号的大试管，共8个。每个试 管中各放入0.1 g膨润土； (2) 向每个试管中依次加入20mL不同浓度的Cu2+ 溶液； (3) 将各试管皆置于25℃水浴中静置吸附，每隔 0.5小时从每组中各取一个试管样品，离心，测其 Cu2+浓度，计算吸附量，共4 h； (4) 作膨润土的时间—吸附量曲线。 以上步骤在45℃、 60℃各重复一次，并用动力学 模型进行拟合。
来自百度文库
膨润土投加量的影响：
(1) 准备两组带有标号 的锥形瓶，每组6个。 分别向每组的各个锥 形瓶中依次投入0.01 g 、0.1 g、0.2 g、0.5 g 、1.0 g、2.0 g钙基膨 润土和钠化膨润土； (2) 向各锥形瓶加入 100 mL浓度为50 mmol/L的Cu2+溶液；
(3) 将各锥形瓶皆置于 室温下静置吸附24 h 后离心取样； (4) 使用紫外分光光度 计测定原溶液及吸附 后Cu2+溶液的剩余 Cu2+浓度，由相应公 式计算吸附量； (5) 分别作钙基膨润土 和钠化膨润土的投加 量—吸附量曲线.。
结 论：
在这四周进行专业综合训练实验的过程中，我学习和研究膨润土对 铜离子的吸附性能这方面的知识。实验前我翻阅了很多相关 资料，从中 进一步熟悉了吸附原理以及吸附作用的重要性，得出了一套较为科学的 实验方案。但是由于各方面的原因，该工作走了很多的弯路，虽然没有 达到预期效果得出定量分析结果，得出的与参考理论一致的成果较小， 但是现在在头脑中已经形成了清晰完整的实验体系，而且实验过程中所 犯错误也为下学期即将继续的相关实验改进提供了方向和依据。 对于吸附实验动力学与热力学性能研究，我们首先应该确定铜离子 的最佳吸收条件，包括有最佳吸收波长等，然后以单因素法测定不同的 pH对吸附的影响，以确定最佳pH，随后在最佳pH的条件下测定铜离子 吸光度A得出标准工作曲线，之后测定不同吸附剂用量对吸附的影响,以 确定吸附剂的最佳用量。对性能研究主体应为在最佳pH与最佳吸附剂用 量的条件下研究其动力学与热力学，探索其内在吸附机理以及对膨润土 进行改良得到比较好的吸附剂。另外应注意细节工作改善，例如若仍坚 持本次缓冲液调节pH方法，实验设计到的配制溶液均统一为相同条件缓 冲溶液，动力学实验延长测定吸附时间，增加测量实验测量点，尽可能 的保证实验效果，得出科学的结论。
1. 2. 3. 探究内容概述 实验方法及内容 实验结论及分析
一、探究内容概述
目前由于潜在危险物及含重金属的原料 在环境中不断的增加，重金属污染得到高度 的关注。重金属例如锌、铜等在化工、电镀 和固体垃圾填埋场的废液中是普遍存在的元 素。 尽管重金属是人体健康不可或缺的微量 元素，但如果超量就会造成严重的后果。因 此，废水中的重金属离子浓度应该减小到最 低以防止其对人体健康产生不良影响。
吸附平衡时的吸附量 为
公式中各参数意义：
qe─吸附平衡时的吸附量(mg/g) ce─吸附平衡时的金属离子浓度 (mg/L) q─吸附剂对金属离子的吸附 量(mg/g) c0─吸附前金属离子的初始浓度 (mg/L) c─吸附后金属离子的浓度(g/L) V─金属离子溶液的体积(L) m─吸附剂干重 (g) E%─吸附剂对金属离子的吸附效率
Key words
关键词： 关键词： Cu2+；膨润土；吸附；阳离子交换； 热力学；动力学；重金属的去除
二、实验方法及内容
实验材料： 实验材料：
膨润土通常是与 众多矿物伴生而以蒙 脱石为主要成分的粘 土矿物。蒙脱石的化 学组成为
(Na,Ca)0.33(A1,Mg)2[Si4O10](OH)2•nH2O[2, 5]
具体步骤为：
(1) 用电子天平准确称取质量为25.0g 的CuSO4·5H 2O晶体置于烧杯中，加 入200 mL去离子水溶解，充分搅拌后 转移到1000 mL容量瓶中，定容摇匀 后备用 (2) 将配制好的100 mmol/L的Cu2+溶 液分别取10 mL、20 mL、40 mL、 60 mL、80 mL依次转移到100 mL容 量瓶中定容，摇匀，配成浓度分别为 10 mmol/L、20 mmol/L、40 mmol/L 、60 mmol/L、80 mmol/L的Cu2+溶液 备用 (3) 采用原子紫外分光光度计测量所 配不同浓度Cu2+溶液的吸光度，绘制 标准曲线
吸附平衡时的吸附效 率为
标准曲线的绘制： 标准曲线的绘制：
已知Cu相对原子 子质量为64 g/mol， CuSO4·5H 2O相对分 子质量为250 g/mol ，所用容量瓶的体积 为1000 mL，则配制 浓度为100 mmol/L的 Cu2+溶液所需的 CuSO4·5H 2O的质量 为25.0g
A= K×c + b。（A—测量溶液的吸光度；K—曲线斜率；c—相应溶液浓度；b—曲线截距）
铜离子的标准曲线 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 20 40 60 80 100 120
铜离子的标准曲线
图3-2 铜离子的标准曲线
pH对吸附的影响：
pH的影响讨论：本实验条件下pH＞7时Cu2+溶液中即有氢氧化铜白色沉淀产生， 因此只对pH≤7时Cu2+溶液pH的影响作了考察。 室温下，膨润土的投加质量浓度均为0.1 g/L，静置吸附24 h的条件下，考察Cu2+ 溶液不同pH对吸附的影响。 依据不同pH条件吸附后溶液的吸光度值A对不同pH做图，结果见下图：
深入探究方向：
膨润土的改性，及其与树脂的复合， 即对化学吸附与物理吸附共同作用效果与 单一吸附对比，探究提高膨润土吸附性能 的方法
三、结果与讨论
3.1 铜离子的最佳吸收波长 3.2 铜离子浓度标准曲线的绘制 3.3 pH对吸附的影响 3.4 时间与吸附量的关系 3.5 实验展望
铜离子的最佳吸收波长
相关科学研究： 相关科学研究：
Gmcia—Delgado等的研究发现膨润土对Cu2+的吸 附依赖于吸附剂的表面电荷特性，电荷特性包括表 面电荷的电量、电荷的种类(永久电荷或可变电荷)。 永久电荷来自四面体或八面体中离子类质同象置换。 McBride(1994)发现金属离子与膨润土表面的亲和力 受金属离子某些性能的影响，例如：电荷、离子半 径和软硬酸碱特性等。 其它因素例如金属离子浓度、pH值、离子强度、 竞争离子的类型和浓度、液固比、温度也同样影响 着吸附过程。研究表明，在离子强度、pH值、络合 剂的浓度都很小的情况下，阳离子交换是一种吸附 机制。
对浓度分别为10 mmol/L、20 mmol/L、40 mmol/L、60 mmol/L、 80 mmol/L的Cu2+溶液，采用紫外分 光光度计测量不同浓度c对应的吸光 c 度A，绘制标准曲线。
通过对其吸光度的测定，绘制下图，即为实验工作曲线。 依据朗伯与比尔定律可知该工作曲线应为如图3-2示直线。
时间与吸附量的关系
根据所测数据绘制了不同时间相应溶液的吸光度A
图3-4 不同时间对吸附的影响
图3-4说明膨润土对铜离子具有一定的吸附能力，但是因 为实验过程中只进行了一组实验，未有重复性操作，且对动 力学研究所涉及时间4h不充足，数据不具有代表性，因此造 成所作出的图不成规律，没有特点，所以此图只能用来说明 膨润土对铜离子具有一定的吸附性，不能定量得出实验最佳 条件。这项研究没有得出所需要的结论，以后需要对实验方 案进行改进，并重复实验，以得到预期实验效果。 同时在此项工作中发现溶液的吸光度普遍很大，超出了 铜离子溶液的标准曲线，对此进行分析发现原因是因为绘制 标准曲线用的是去离子水配制的CuSO4溶液，而这次动力学 研究所用的溶液是用pH=5.6的缓冲溶液直接配制的。为确定 是该原因所造成的影响，又分别对CuSO4水溶液、CuSO4缓冲 液、CuSO4缓冲液分别以去离子水、去离子水、缓冲溶液作 参比，测定了他们的紫外吸收光谱，得图3-5。