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巯基化膨润土对As~(3+)的吸附解吸性能研究

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第41卷第1期 环境保护科学 Environmental Protection Science Vo1.41 No.1 2015年2月 Feb.2015,104-108 巯基化膨润土对As3+的吸附解吸性能研究 李媛媛,董泳秀,刘文华,赵秋香 (广东省地质实验测试中心,广东 广州 510080) 摘要:水体及土壤砷污染已引起社会的广泛关注。本研究从7种改性膨润土中筛选出1种对As”吸附能力较强的材 料,即巯基化膨润土。其对As”的吸附解吸研究显示,吸附在120min后达到平衡;在材料投加量达到0.1 g后,As”的吸 附率基本不变;巯基化膨润 ̄x-,i-As 的吸附受pH、温度及离子强度影响较小,其对A 的解吸受pH及离子强度影响也 较小,且解吸率均小-I-1%。巯基化材料J@As 的饱和吸附量达到了1.18mg/g,比钙基膨润土提高了12倍以上;其比表 面积比钙基膨润土提高了6倍以上。因此,巯基化膨润土是一种较理想的As”吸附材料。 关键词:巯基;膨润土;砷;吸附;解吸 中图分类号:X705 文献标志码:A Adsorption and Desorption Properties of Thiol—functionalized Bentonite towards As。 Li Yuanyuan,Dong Yongxiu,Liu Wenhua,Zhao Qiuxiang (Guangdong Province Research Center for Geoanalysis,Guangzhou 5 1 0080,China) Abstract:Arsenic pollution iS of increasing concern due to its widespread occurrence in water and soil.In this study.thiol— functionalized bentonite was selected from seven kinds of modiifed bentonite for its better adsorotion ability of trivalent arsenic. From the study of adsorption and desorption properties of thiol—functionalized bentonite for As“.the results showed that the adsorption reached in equilibrium within 120 minutes.After material dosage reached to 0.1g.the adsorption rate of As kept almost unchanged.The influence of solution pH,temperature and ionic strength on As adsorption was not much and the influence of solution pH and ionic strength on As“desorption was little.with the desorption rate below 1%.The maximnm capacity of thiol— functionalized bentonite for As”adsorption was 1.18 mg/g.which was more than 12 times as much as that of calcbentonite.The speciifc surface area of thiol—functionalized bentonite was more than 6 times as much as that of calcbentonite.Therefore.thiol— functionalized bentonite COuld be taken as one ideal adsorbent for trivalent arsenic. Keywords:Thiol;Bentonite;Arsenic;Adsorption;Desorption CLC number:X705 砷是一种以有毒而著名的类金属,广泛分布 陆生生态系统造成污染,而大量吸附态砷也可由 于环境的变化而重新解吸到土壤溶液中。As 比 As 毒性大35—60倍,而As“在土壤中的吸附低于 As“,于自然界中。砷及其化合物具有剧毒,可致癌、致 畸、致突变。近年来,人们的生产、生活,如工矿 企业的生产、农业含砷杀虫剂和高砷磷肥的大量使 易于迁移,如何固定土壤中的As ,减少 用,使水体和土壤的砷污染逐渐加剧,砷中毒、地 方病严重危害着人类健康。我国的砷污染比较严 重,、内蒙、湖南、云南、广东、广西等10+ 省区、30多个县区均发现饮水高砷区。水体和土壤 砷污染正引起人们越来越多的关注 。 砷具有生物积蓄作用,土壤中的砷能够进入 收稿日期:2014—07—04 对环境的危害是目前研究的热点 。土壤中的矿 物成分对砷有很强的吸附能力,砷在粘土矿物上 的吸附机理一般认为是在其结晶边缘所含有的类 似铝氧化物的A1一OH官能团上发生的 。因此, 粘土矿物可作为一种砷的吸附材料。本研究以粘 土矿物一钙基膨润土为基础,制备了7种改性膨 基金项目:国土资源部公益性行业科研专项(201 1 1 1016)基金资助 作者简介:李媛媛(1984一),女,硕士。研究方向:环境修复治理。E-mail:liyy84@163.com。 第1期 李媛媛等:巯基化膨润土对As 的吸附解吸性能研究 105 润土材料,并从这些材料中筛选出1种对As 吸附 能力极强的改性材料,对该材料吸附解吸As 的 特性进行了研究。本研究为土壤及水体中砷污染 的治理提供了新的技术方法,对环境保护及人类 健康具有重要意义。 1 实验部分 实验材料:利用钙基膨润土(M1)通过不同 改性方法制备了7种改性膨润土,即钠化膨润土 (M2)、钠化胡敏酸膨润土(M3)、钠化热活 化膨润土(M4)、酸(硫酸)活化膨润土 (M5)、酸化单宁酸膨润土(M6)、酸化胡敏酸 膨润土(M7)及巯基化膨润土(M8)。钙基膨润 土经x射线衍射及x射线荧光光谱分析,蒙脱石含 量大于90%,主成分SiO,质量分数56.54%, A1:0。质量分数16.48%;初始底面间距(doo1)为 1.54 nm。本次所用试剂均为分析纯,溶液均用 蒸馏水配制。 实验仪器:AUW220电子天平,PHS一3C型 精密酸度计,SHA—CA水浴恒温振荡器,DHG一 9070A电热恒温鼓风干燥器,DL一5200离心机, D/max—IIIA型X射线衍射分析仪,S4 Pioneer型 ) 荧光光谱仪,AFS-830型原子荧光光谱仪。 2结果与讨论 2.1 几种改性材料对As。 的吸附能力对比 在8种材料投加量0.1 g、As 溶液浓度为1 mg/L 条件下,开展材料单独吸附As 实验,吸附体系 pH值用稀酸(HC1)或稀碱(NaOH)溶液调节 到6.0,结果见图1。 0.45 o.40, 0.35 o_30 o.25面 o.20蓝 0.15 0.1O 0.O5 O.O0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 样品编号 图1 8种材料单独吸附As 能力对比 由图l可见,巯基化膨润土对As 的吸附能 力显著优于其他7种材料,其对As 的吸附率接 近100%,而其他材料对As 的吸附率不 ̄1J20%。 相比钙基膨润土,改性后材料对As 的吸附能力 均有不同程度的提高。巯基化膨润土对As 的吸 附量较钙基膨润土提高了12倍以上,钠化胡敏酸 膨润土提高了2倍以上,钠化热活化膨润土提高 了1倍。因此,在7种改性材料中,巯基化膨润土 对As。 的吸附性能最优越,这可能与砷是亲硫元 素,与巯基化膨润土中的一SH产生了结合 。下 面对巯基化膨润土吸附解吸As 的规律进行进一 步探讨。 2.2巯基化膨润土对AS 的吸附解吸研究 2.2.1吸附解吸实验方法取5O mL一定浓度的 As 溶液于锥形瓶中,加入一定量的巯基材料, 用稀HC1或稀NaOH溶液调节pH,然后在恒温振荡 器上振荡吸附2h,而后离,15 ,5 min(4000 r/min),上 清液用AFS一830型原子荧光光谱仪测定剩余 As 浓度。 解吸实验是在上述吸附实验结束后,在剩余 材料中加入50 mL pH5.0的水溶液作为解吸液, 恒温振荡解吸2 h,结束后离,51,5 mi n,上清液测 定As 浓度。所有吸附实验均做两个平行。 2.2.2巯基化膨润土对As 的吸附实验研究 ①材料投加量的影响。分别称取巯基化膨润 土及钙基膨润土两种材料各0.1、0.2、0.3、0.4及 0.5 g进行吸附1 mg/L As 实验,结果见图2。 图2投加量对材料吸附As 的影响 由图2可见,在材料投加量0.1~0.5 g变化范 围内,巯基化膨润土对As 的吸附在投加量达到 0.1 g时,已达到平衡,吸附率在98%以上。而钙 基膨润土对As 的吸附率随着投加量的增加而逐 1O6 环境保护科学 第41卷 渐增大。在投加量达No.5 g时,其对As 的吸附 率仍未达到20%。说明钙基膨润土经巯基化改性 后,其对As 的吸附能力大幅提高。在尽量节约材 料又能使改性材料对As 保持较高吸附率的条件 下,之后的吸附实验将材料的投加量设定为0.1 g。 ②吸附时间的影响。分别称取两种材料各 0.1 g多份进行吸附1 mg/LAs“实验,并分别在 吸附进行5、10、15、20、25、30、60、9O、 1 20、240及360 min时将相应样品取出,悬浮液离 心5 min,上清液 ̄JJAs 浓度。材料吸附As“随吸附 时间的变化见图3。 t/mln 图3材料对As“吸附率随时间的变化 由图3可见,两种材料对As 的吸附均有一 个先随着时间的延长逐渐增加而后趋于平衡的过 程,两种材料对As 的吸附平衡时间较长,约在 120 min后达到吸附平衡。因此,吸附实验设定 吸附时间为2 h能够保证吸附反应达到平衡。 ③反应pH的影响。分别称取两种材料各 0.1 g多份进行吸附1 mg/L As 实验,同种材料 依次分别调节溶液的pH为3.0、4.0、5.0、5.5、 6.0、6.5、7.0、7.5、8.0。材料吸附As 随反应 pH的变化见图4。 吸附pH 图4材料吸附As 随反应pH的变化 由图4可见,巯基化膨润土对As 的吸附率 在pH3.0 ̄pH8.0之间几乎不变,且吸附率维持在 98%左右;钙基膨润土对As 的吸附受pH影响也 较小,只有当pH达N8.0时,其对As 的吸附率略 有升高,这与溶液碱性较强,重金属发生部分沉 淀有关。实验结果说明,巯基化膨润土及钙基膨 润土对As“的吸附几乎不受pH影响。 ④反应温度的影响。分别称取两种材料各 0.1 g多份,同种材料分别在恒温20、25、30、 35、40及45 cC条件下开展吸附1 mg/L As“实验。 材料吸附As“随反应温度的变化见图5。 褂 蓝 y 二 图5材料吸附As 随反应温度的变化 由图5可见,在考察温度20—45 范围内, 巯基化膨润土对As 的吸附率随温度的升高而略 有升高,而钙基膨润土对As 的吸附随温度变化 不大,整体来看,两种材料对As 的吸附受温度 变化影响较小。 ⑤溶液离子强度的影响。分别称取两种材 料各0.1 g多份,同种材料依次分别加入50 mL离 子强度分别为0.00、0.01、0.02、0.05、0.08、 0.10 mol/L(NaNO,溶液调节)的1 mg/L As“溶 液,在此条件下进行吸附实验,材料吸附As“随 溶液离子强度的变化见图6。 旃 蓝 啦 离子强度/mol・L。。 图6材料吸附As“随离子强度的变化 由图6可见,两种材料对As“的吸附均有随 第1期 李媛媛等:巯基化膨润土对As“的吸附解吸性能研究 107 溶液离子强度的增加而略微增大的趋势,但变化 幅度较小,说明在此离子强度范围内,材料对 As 的吸附受离子强度影响较小。 浓度的As 溶液50 mL进行吸附实验。计算不同平 衡浓度时,As 在材料上的吸附量,以吸附量 gP对平衡时溶液中As 的浓度ce作图,得到等温 吸附曲线,各种材料在30 cI=时对As¨的吸附等温 线见图7。 ⑥初始浓度的影响。分别称取两种材料各 O.1 g多份,同种材料依次加人0.1~4.0 mg几一系列 0℃对As“的吸附等温线 由图7可见,随着溶液初始浓度的增加,材 料对As 的吸附量先增加后趋于稳定,逐渐达到 饱和吸附量。 分别用Langmuir和Freundlich等温方程对所测 等温曲线进行回归处理,回归出的Langmuir和 Freundlich等温方程参数见表1。 表1 As 在两种材料上的吸附模型 由表l可见,两种材料在3O℃对As“的等温 吸附线均能用Langmuir ̄Y程及Freundlich方程进行 很好的拟合,拟合相关系数R >87%。根据 ①解吸液pH的影响。按照2.2.1方法,在解 吸实验过程中,将同种材料的不同样品分别加入 pH为3.0、4.0、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、 Langmuir ̄型的拟合效果可知,巯基化膨润土对 Asn的饱和吸附量远远大于钙基膨润土,改性后 的材料对As¨的吸附量提高了12倍以上。 2.2.3巯基化膨润土解吸As”实验研究 8.0水溶液作为解吸液。解吸结束后,测定不同 pH解吸液条件下材料对As 的解吸率。两种材料 解吸As 随解吸液pH的变化见表2。 表2材料解吸As“随解吸液pH的变化 由表2可见,在解吸液pH由3.o ̄8.0变化过 pH变化有先升高后降低的趋势,且解吸率较 高,维持在39.3 1%~63.56%之间。说明巯基化膨 程中,巯基化膨润土对As 的解吸率维持在同一 水平且小于0.1%,说明巯基化膨润土对As 的解 吸受pH较小。而钙基膨润土对As¨的解吸随着 润土对As 的吸附非常稳定,几乎不解吸。 ②离子强度的影响。按照2.2.1方法,在解吸实 108 环境保护科学 第41卷 验过程中,将同种材料的不同样品中分别加入离 表面积由21.16 m2/g提高到157.85 m2/g,提高了 子强度为0.00、0.0003、0.0005、0.001、0.01、 6倍以上,因此,其对砷的吸附能力大幅提高。 0.02及0.05 mol/L的NaNO,溶液作为解吸液,进行解 吸实验。两种材料解吸As 随解吸液离子强度的变 3结论 化见图8。 离子强度/tool・L 图8材料解吸As 随解吸液离子强度的变化 由图8可见,在0.0003~0.05 mol/L离子强度 变化范围内,两种材料对As 的解吸影响较小, 解吸率基本维持在同一水平。由此可见,材料对 As 的吸附解吸均受离子强度影响较小。因此, 在雨水离子强度条件下,材料对As 的吸附很稳 定,解吸率较低。 2.3改性材料比表面积分析 粘土矿物的表面积大小也是影响砷吸附的重 要因素,一般认为具有较大表面积的粘土矿物, 具有较大的吸附砷能力。钙基膨润土及巯基化膨 润土的比表面积分析结果见表3。 表3材料的比表面积分析 由表3可见,钙基膨润土经巯基化改性后比 本研究从7种改性膨润土材料中,筛选出巯 基化膨润土,其对As 的吸附能力最强。研究了 巯基化膨润土对As 的吸附特性,结果显示,巯 基化膨润土对As 的吸附在120 min后达到平衡; 在投加量达N0.1 g后,吸附率基本不变;巯基化 膨润土对As 的吸附受pH、温度及离子强度影响 较小,其对As 的解吸受pH及离子强度影响也较 小,且解吸率均小于1%。巯基化膨润土对As 的 饱和吸附量达到了1.18 mg/g,比钙基膨润土提高 了l2倍以上;其比表面积比钙基膨润土提高了 6倍以上。因此,巯基化膨润土是一种较理想的 吸附As 材料。 参考文献 【1】蔡保松,陈同斌,廖晓勇,等.土壤砷污染对蔬菜砷含量及食用安全性 的影响[J].生态学报,2004,24(4):71 1-717. 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