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13X分子筛对废水中锌离子的吸附性能研究
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13X分子筛对废水中锌离子的吸附性能研究

2019-08-21      阅读:
通过正交水平实验对 13x分子筛吸附锌离子条件进行优化,考察了锌离子浓度、温度和溶液的 pH值对锌离子吸附容量的影响。测定了锌离子在 13X分子筛上的吸附平衡和动力学数据,吸附平衡符合 Langmuir方程,并得到了模型参数,说明 Iangmuir模型能够描述本体系的特性。采用 XRD对 13X分子筛吸附锌离子的结构变化进行分析表明,其吸附过程中发生了锌离子与13X分子筛内钠离子的交换。这些结果为吸附过程处理含锌废水的设计提供一定的参考。


重金属废水、废渣、污泥等通过土壤、水、空气,尤其是食物链,对人类的生存和身心健康产生严重危害¨ J。传统的重金属污染废水处理技术包括化学沉淀法、化学氧化还原法、过滤、离子交换法、电解法、膜处理技术、蒸发回收技术及吸附法等 。吸附法具有操作简单、选择性高、净化度高的优点。文献采用麦饭石、岩石、活性炭、斑脱土及天然沸石等作为吸附剂对锌离子的吸附研究,表明这些矿物对脱除重金属离子有一定的效果。分子筛作为一种人造沸石,含杂质少,具有比天然沸石更好的性能,但作为专用吸附剂进行锌离子的吸附性能和机理研究的报道还不多 J。本文用 13X分子筛吸附锌离子,采用正交水平实验考察了离子浓度、溶液 pH值、温度对其吸附容量的影响,对吸附条件进行优化,并对其静态吸附平衡和吸附动力学性能进行了测定,为含锌离子废水的吸附处理应用设计奠定一定的基础。
 
1 实验部分
1.1 药品与试剂及分析方法硝酸锌(化学纯),盐酸(分析纯),13X分子筛(Si/A1=1.23,中国医药 (集团)上海化学试剂公司)。13X分子筛在使用前用大量的去离子水冲洗,并且在 130cI=的条件下活化 24h。本实验中采用电感耦合等离子发射光谱(Op—tima2000DV型,PerkinElmer公司),分析得到锌离子的质量浓度,分析精度达到 0.1mg/m 。采用Bru-kerD8AdvancedX一射线衍射仪(XRD)对吸附剂的晶体结构进行分析。在管压为 40kV和管流为20mA的条件下进行扫描,角度 2-Theta为 5—70。。
 
1.2 实验方法
 
称取一定量活化了的 13X分子筛,放入到一定锌离子质量浓度的溶液中,通过恒温水浴调节不同温度,静置 3__4 d后分析溶液中的锌离子质量浓度,可计算得到不同浓度下的吸附平衡吸附量;吸附过程中,在不同时间取样分析锌离子的浓度,计算得到一定浓度下不同时刻的吸附量,即得到吸附动力学数据。
 
2 结果与讨论
 
2.1 正交水平实验设计与优化主要考察 13X分子筛在不同溶液温度、pH值和锌离子浓度对锌离子吸附量的影响,以达到对吸附条件优化。由于 13X分子筛在 pH小于2时,被溶解侵蚀而导致了结构发生变化;当 pH值为 5时,锌离子溶液产生沉淀,影响了交换的进行,因此正交实验的pH值条件选择在 2—4。实验结果和数据分析见表 1、表2。
 
表 1 正交水平实验的结果
13X分子筛对废水中锌离子的吸附性能研究13X分子筛对废水中锌离子的吸附性能研究
由表 1、2可以看出,浓度的极差最大,温度次之,因此浓度水平的改变对实验指标的影响最大。由于 13X分子筛为 NaX型,13X对锌离子的吸附量主要有两部分:一是 13X分子筛的钠离子与锌离子的发生交换,二是 13X分子筛内部微孔对锌离子的吸附作用。温度能在一定程度上加快锌离子的扩散速度,提高了锌离子的传质速率。pH值对交换容量的影响较小,但 pH值过低,就会发生 H 和锌离子与 13X分子筛中钠离子的竞争交换,可能影响锌离子的交换量。
 
从表 2的优化方案可以看出,在本文设计的实
 
验条件下,03pH:c,的方案最佳。采用该条件进行实验得到锌离子的吸附量为57.12mg/s,证明了结论的正确性。
 
2.2 锌离子的吸附平衡数据测定及模型关联
 
用 1g左右吸附剂置于25mL不同质量浓度的硝酸锌溶液,在 20c,100kPa下静置4d后,检测吸附前后锌离子浓度变化,得出的吸附平衡数据如图 1所示。
13X分子筛对废水中锌离子的吸附性能研究
由图 1可以看出,锌离子的吸附量随着锌离子质量浓度的增加而增加,在锌离子质量浓度较高的范围内其增加量有变缓的趋势。在 16000 mg/L,(0.2mol/L)左右达到最大交换量。这是因为在锌
离子浓度较高的情况下,离子交换和吸附的阻力逐渐增加,并且可用于交换锌离子的位阻逐渐加大,因此吸附容量的增加趋缓。 对于吸附平衡数据,人们从不同角度出发提出了各种不同的模型,并得到吸附等温方程以描述恒温下的吸附过程。常用的吸附平衡模型有线性平衡模型、Langmuir模型、Freundlich模型及 Temkin模型等。

本文采用 Langmuir模型对实验数据进行关联其模型方程形式为 式中,

13X分子筛对废水中锌离子的吸附性能研究
P为锌离子质量浓度,mg/L;q为平衡吸附量,mg/g。模型参数 a,b经过最小二乘法回归得到其数值:a=122.907,b=0.000258。
 
从图中也可以看出模型关联曲线与实验数据点较为吻合,相关度R=0.997,表明用Langmuir模型来描述吸附平衡数据是合适的。
 
2.3 锌离子的吸附动力学数据测定
用 1000mL,0.08mol/L(约 5308 mg/L)的硝酸锌溶液与20.0142g的分子筛进行离子交换,静置过程中,每 4h取样一次(1mL),测出其在不同时间下的锌离子吸附量。吸附动力学数据如图2所示。

锌离子与分子筛上阳离子位的交换看作可逆的平衡反应,交换的动力学可由下式表示L9]:

 
 
 
式中, 为动力学常数,q为吸附量,q 为平衡吸附量。从图2(b)可以看出锌离子的交换可以看作拟一 级可逆反应,斜率  为动力学常数可以得到0.1009。图2(a)可以看出吸附量随着时间的延长
而增大,最终趋于稳定,在 40__60h吸附基本达到平衡,这也说明了静态吸附平衡的吸附平衡时间3__4d是合适的。动力学的实验结果可以为实际应用吸附时间的选择提供一定的参考依据。2.4 分子筛本身酸碱度对吸附效果影响的研究
 
主要考察分子筛本身酸碱度对于锌离子的吸附量的影响,准备2份 1g左右的分子筛,其中一份在25mL去离子水中浸泡 36h,分别测出浸泡前后的pH值分别为 6.26和8.56,这说明分子筛本身具有一 定的弱碱性。再分别放人 25mL的硝酸锌溶液(锌离子质量浓度Po为5051mg/L)中,静置3d后,分别对溶液中锌离子质量浓度P进行测定,计算它们对锌离子的吸附量,其数据见表3。


从表 3可以看出,分子筛本身的弱碱性对吸附剂的性能有一定影响,其吸附效果略有增大。分析其原因主要是分子筛本身的弱碱性对锌离子与分子筛 Na 位的交换产生了一定的影响。
 
2.5 酸碱度对吸附机理影响
 
为考察酸喊度对吸附机理的影响,将 13X分子筛水洗处理、酸改性后 (pH=3),再吸附锌离子,采用XRD分别对它们及分子筛原样进行结构表征,见图3。从图3看出,分子筛在5。特征峰的强度和面积值发生明显的减弱,而各个峰的衍射角度基本不变,这说明发生了锌离子与钠离子的交换,但离子交换并未影响 13X分子筛的骨架结构,这与前面2.1中的分析是一致的。根据马正飞等¨。。的研究,在 11。和18。特征峰强度和峰面积的变化可知,水洗处理后离子的交换量比酸改性的离子交换量略大。说明碱性条件有利于离子负载。
 
 结论
 
(1)在本文所做的正交实验条件范围内,从13X分子筛对锌离子吸附效果来看,锌离子浓度影响最大,温度次之,溶液的 pH值影响最小;
 
(2)测定了13X分子筛对锌离子的静态吸附平衡数据,在实验的质量浓度范围内,吸附平衡符合 Langmuir 方 程,其 方 程 形 式 为: q =1 907×0.000258×p1+O.000258 xp
 
(3)测定了锌离子在 13X分子筛上的静态吸附动力学数据,数据表明在4O—6oh吸附达到平衡状态,并且得出锌离子与 13X分子筛的交换为拟一级

(4)通过 XRD分析,得知 13X分子筛对锌离子的交换过程中发生了锌离子与钠离子的交换。本文的实验数据可以为吸附分离过程的设计提供一定的参考依据。
 

 
 
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