膨润土吸附实验

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.
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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
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。
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3-5 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。
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：
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
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。
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]
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
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.。
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。
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
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
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。