改性硅藻土处理铜离子污染水试验研究

摘要:硅藻土是一种天然的低成本矿物材料。它具有许多独特的物理特性，并已被广泛用作为吸附剂在废水处理中。为了更好地理解硅藻土作为吸附剂去除铜污染废水中铜离子，本文研究了在不同条件下硅藻上吸附铜离子的效能。结果表明，pH值是影响铜离子去除的最重要因素,在中性和弱酸性条件下,对铜离子的去除效果最佳。研究表明，在溶液中去除铜的最佳硅藻土剂量是2g,最佳吸附时间为30min.

关键词:硅藻土:铜离子:重金属污染:吸附:

 

1概述

安全供水是突发性水污染事件发生后最为敏感和紧迫的问题。目前，我国在安全供水应急处置方面还很薄弱，一旦事件发生， 往往只能断水。突发性环境污染事故风险很大，不同污染物的处理技术存在很大差异，现有的少數污染物的处理经验井不能指导今后的污染事故应急处理，尤其是重金属污染。为了防患于未然，必须针对饮用水相关水质指标中的重金属污染物开展深入的研究。目前，常用处理重金属污染的方法有化学沉淀法、膜过滤法，离子交换法和活性炭吸附法等川1。化学沉淀法需使用大量药剂且重金属的回收利用还需要进一- 步的处理，成本较高:

    如投加药剂过量会对水体造成二次污染。膜过滤法效果虽然理想，但膜组件设计困难，且膜污染难以控制，易堵塞以及膜的清洗费用较高是限制其使用的难点。离子交换法中，树脂的吸附有容量限制，且树脂易中毒，树脂的再生费用也是相当昂贵的。虽然活性炭吸附法因其处理程度高、应用范围广、适应性能强，且能再生利用等优点而被广泛使用，但是活性炭的制造以及再生处理都需要比较高的成本。因此,寻找更为经济适用的吸附剂来应对突发水污染事件成为各研究人员关注的热点。近年来，硅藻土因具有孔隙率高、比表面积大、吸附性能强、性质稳定且无二次污染等优点四而备受研究人员的关注。本文选取在工业中广泛应用的重金属铜离子为研究对象，以硅藻土作为吸附剂，探讨了吸附时间，硅藻土最佳投加量、溶液初始pH值等因素对于重金属离子去除的影响，为应急处理重金属污染提供有力的技术保证。

 

2材料与方法

2.1试剂与仪器

硅藻土是- -种具有生物结构的古生物化石，是由古代单细胞低等植物硅藻的遗体堆积，经过初步的成岩作用而形成的具有多孔性的生物硅质岩，主要由80~-90%的硅藻壳组成。硅藻消耗海水、湖水中大量的氧化硅，构成硅藥软泥，经石化形成硅藻土。硅藻壳由蛋白石组成，硅藻在生长繁街过程中，吸取水中胶态二氧化硅，并逐步转变为蛋白石四。硅藻主要有如下几种(图1) :

 

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本实验中采用的试剂:硅蓬土，CuSO:5H2O (上海紫一试剂厂)，浓硫酸(上海紫一试剂厂),

六联搅拌器，恒温箱，AAS400 原子吸收光谱仪( 。

2.2实验方法

2.2.1改性实验

       虽然硅藻土是天然的生物硅质岩。表面含有大量的硅羟基，且有来源广、无二次污染等特点，但对污染物质的吸附性能与活性炭的吸附性能之间存在一-定差距。 因此，研究人员针对硅藻土的改性进行了大量研究不同污染物采用不同的改性方法。在硅藻土对苯酚吸附试验研究中,张红等以联合改性剂(CTMAB一十六烷基三甲基溴化铵和TMAB--四甲基溴化铵)对硅藻土进行改性,提高了苯酚的去除效率5。对于重金属离子，罗道成0等向硅藻土中加入质量浓度为10%的溴化十六烷基三甲铵溶液对其进行改性研究。结果表明，改性硅藻土对重金属离子Pb2+. Cu2+. Zn2+具有 很好的吸附作用,改性硅藻土的吸附性能明显优于天然硅藻土。夏士朋7提出了含碳酸钙硅藻土是处理废水中Cu、Cr、 Pb. Zn重金属很好的吸附剂，在pH为7-10之间，采用静态吸附试验，吸附容量为3.5-4mmolg。但硅藻土作为吸附剂，改性研究主要是通过单- -的物理或化学处理对硅藻土进行表面改性,来提高硅

藻土的比表面积和表面负电荷1。在本实验中，对比选择了三种方法，对硅藻土进行了改性实验并研究其对重金属的去除效果。第一种，物理和化学处理相结合的改性试验:每10g的硅藻土中投加10mL的50%的硫酸，酸化60min后在200C煆烧，备用:第二种，物理处理:烘干硅藻土，过100目筛:第三种，物理处理:研磨硅藻土，放入1050C的恒温箱烘烤24小时，取出备用。

 

2.2.2吸附实验

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将一定量的硅藻土投加到500mL的含有重金属离子的水样中，置于六联搅拌机上，首先在400r/min的转速下快速混合Imin.接着以90r/min 搅拌Smin.然后以45r/min搅拌10min，最后静置30min，取上清液用滤纸过滤，并测定过滤液中目标物质的浓度。

2.3铜离子浓度的测定

用原子吸收光谱法测定铜离子浓度。

3结果与讨论

3.1硅藻土改性实验

在改性实验中(投加50%的硫酸酸化、过100目筛子，，1050C 恒温箱烘烤24小时)，水样中铜离子浓度为20mg/L，静沉时间为30min。改性后，不同投加量的硅藻土对铜离子的去除效果如图2:

 

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由图2可知，研磨烘干的硅藻土对铜离子的去除效果最好，其次是过100日筛的硅藻土，最差的是硫酸酸化后的硅藻土。通过研磨烘干的硅藻土对铜离子的总去除率维持在94%左右，在硅藻土投加量为1.5g时，水样中剩余铜离子浓度在Img/L以下，达到国家规定的铜离子排放标准(Cu2+ s lmg/L )。分析讨论得出pH值和硅藻土颗粒粒径是影响结果的主要原因。叶力佳等91在用硅深土对铜离子进行吸附性能研究中指出，硅藻土对铜离子的去除串随pH值的增加而增加，但硅藻土吸附铜离子时，pH值以中性和弱酸性条件为最佳。pH值对铜离子的去除率影响很大,其原因可以从电化学角度和硅藻土自身特性方便给子阐述。首先，从电化学的角度出发，硅藻土表面大量的硅羟基在水溶液中离解出H' ,使硅藻土呈负电性，其表面电位为ξ。当pH 值的变化时，硅藻土的表面电位也随之变化。有研

究报道在水溶液中硅藻土的等电点小于310。当pH ≥3时ξ<0，随着pH值的增大,ξ电位负的越多,吸附铜离子也就越多。其次，从硅藻土的自身特性出发，硅藻土的表面和孔内表面分布有大量的硅羟基，带正电的重金属离子很容易取代硅藻土表面的硅羟基(Si- OH)基团上的氢离子，从而发生吸附。硫酸酸化后的硅藻土投加到目标水样中，使水样的pH值降低,硅藻土表面所带负电减少，溶液中H+浓度增高,不利于Cu2+的吸附,故硅藻土对铜离子的去除效率较低。

     此外，硅藻土的表面电位与硅藻土的比表面积和颗粒粒径有着密切关系，比表面积越大，粒径越小，表面电位越大。有研究表明，硅藻土颗粒粒径对于重金属离子的去除率随硅藻土粒径的减小而增加。而在本实验中，过100日筛的硅藻土与研磨烘干的硅藻土没有进行严格的粒径大小比较，研磨烘干的硅藻土粒径整体比过100目筛的硅藻上要小，但颗粒粒径对于去除皋的影响原因不太清楚，需要进--步研究，以确定最适宜的硅藻土粒径范围。

 

3.2吸附实验

将一定量的硅藻土投加到500mL的含有重金属离子的水样中，置于六联搅拌机上，首先在400r/min的转速下快速混合1lmin, 接着以90r/min搅拌5min.然后以45r/min搅拌10min，最后静置30min，取上清液用滤纸过滤，并测定过滤液中目标物质的浓度。由图3可知，工况2时的水力条件下，硅藻土对铜离子的去除率最高。

3.2.1静沉时间的影响

实验中铜离子浓度为20mg/L,硅藻土投量为3.5g(硅藻土过量投加)，分别取静沉15. 20、 30、 40、50、 60、70min后的水样进行铜离子测定。由图3可知，随着静沉时间的增加，硅藻土对铜离子的吸附速率越快，铜离子的去除率也越高，但30min之后吸附速度趋于减慢，这跟硅藻士吸附作用的机理密切相关。初期，硅藻土表面硅羟基富裕，铜离子首先到达硅藻土的外表面和部分微孔内，并与硅羟基进行离子交换作用:随着时间的增加，被吸附的金属离子逐渐增多，吸附在硅藻土表面的铜离子相互产生排斥力,使游离铜离子与其他位点的硅羟基发生交换的阻力增大。因此，吸附后期的吸附量增加缓慢。从实际角度出发,硅藻土吸附去除Cu2 *的适宜时间为30min.

 

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3.2.2 pH值的影响

铜离子浓度为20mg/L，静沉时间为30min,硅藻土投量为3.5g(硅藻土过量投加)，实验中通过浓硫酸的投加量来确定pH值的大小。由图4可知，随着浓硫酸投加量的增多，溶液pH值逐渐减小，溶液中铜离子剩余浓度增多，硅藻土对铜离子的去除率相应减小。因此，硅藻士在中性条件下对铜离子去除效果最佳。

 

3.2.3硅藻土最佳投量

其他条件保持不变，溶液中铜离子浓度为20mg/L,各烧杯硅藻土的投加量分别为0.5.1.1.5. 2. 2.5. 3.5g.硅藻土投加量对铜离子去除效果的影响见图5。由图5可知，当铜离子浓度一定时，铜离子的去除率随硅藻土投加量增加而增加。硅藻土投量较小时，吸附铜离子速皋较快，当投量达到lg(500mL中的投加量)后，溶液中铜离子的去除率变化就不大了，稳定在94%左右。因此，考虑成本等因素，去除铜离子时硅藻土的最佳投量为2gL左右。

 

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3.2.4铜离子浓度的影响

其他条件不变，为了考察铜离子初始浓度对硅藻土作用效果的影响，选择了铜离子初始浓度为5 mgL. 20 mg/L、25 mg/L时进行了实验，每-“浓度对应的一-组实验中硅藻土投量分别为0.5、1. 1.5. 2. 2.5. 3.5g, 实验结果如图6.由图6可知，铜离子初始浓度越低，硅藻土对它的去除串越高。硅藻土的比表面积、表面空隙以及表面的硅羟基总个数都是确定的，当硅藻土用量-定时，铜离子初始浓度较低时，硅藻土表面及可利用微孔相对较多，从而铜离子很容易被大量吸附，井与硅羟基发生离子交换作用。比较不同初始浓度下铜离子的去除率，我们可以知道去除率随硅藻土投加量增加而增加，硅藻土对于铜离子浓度的变化有较强的耐冲击负荷能力:当硅藻土用量在1~1.5g时，各初始浓度下的铜离子去除率至少在90%以上。

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4结论

(1)在对硅藻土的改性实验中发现，研磨烘干的硅藻土对铜离子的去除效果最好，其次是过100目筛的硅藻士，最差的是硫酸酸化后的硅藻上,这说明pH值和硅藻土颗粒粒径是

影响铜离子去除的重要因素。

(2)硅藻土对于铜离子浓度的变化有较强的耐冲击负荷能力，为应急处理重金属污染提供有力的技术保证。

(3)在铜离子浓度为20mg/L时,试验得出:研磨烘干硅藻土的最佳用量为2g/L左右:最佳吸附静沉为30min : pH值是影响铜离子去除的最重要因素,在中性和弱酸性条件下,对铜离子的去除效果最佳。

 

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