物理化学吸附实验条件的探究*

吕喜风，汪河斌，田维亮，陈俊毅，李 仲，梁鹏举

(塔里木大学生命科学学院，新疆 阿拉尔 843300)

六价铬离子具有强氧化性和强致癌性[1]，如何除去Cr(Ⅵ)就显得尤为重要。吸附法是一种高效、简便的去除重金属的方法[2]。学生从物理化学表面吸附一章得到启发，设计创新实验利用新疆蛭石制备吸附剂完成对Cr(Ⅵ)的吸附研究。蛭石具有较大的比表面积和较高的离子交换容量[3-4]，但其自身的特性导致吸附重金属离子后无法用传统的分离方法将其快速分离[5]。故利用磁性Fe3O4的特性制作Fe3O4-蛭石复合材料便于后期处理[6]。

实验用七水硫酸亚铁和氯化铁制备Fe3O4-蛭石复合材料，并用四氧化三铁-蛭石复合材料作为吸附剂，研究不同的反应温度、pH值、复合材料添加量、反应时间时Cr(Ⅵ)的吸附性能。通过吸附实验，学生加深了对吸附剂概念及吸附过程的理解。

1 实 验

1.1 仪器及药品

药品：FeSO4·7H2O、HNO3、FeCl3、K2CrO4、NaOH，以上试剂均为分析纯。

仪器设备：UV2400紫外分光光度计，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；CFL535R低速大容量冷冻离心机，湖南湘立科学仪器有限公司；JA1003N电子天平，上海菁海仪器有限公司。

1.2 Fe3O4-蛭石复合材料制备

分别称取1.89 g FeCl3和2.76 g的FeSO4·7H2O，溶解后定容于100 mL容量瓶，得到浓度为0.04 mol·L-1的Fe3+溶液和0.02 mol·L-1的Fe2+溶液。将两种溶液等体积混合均匀，按固液比为1:100的比例将膨胀蛭石与所配制的混合溶液一并加入到烧杯中搅拌均匀。将烧杯放入70 ℃温度恒温水浴搅拌箱，以500 r·min-1的搅拌速度反应20 min，过滤得固体物质。用蒸馏水将所得固体材料洗涤至中性，然后再将复合材料置于烘箱内2 h，研磨，过100目筛待用。

1.3 吸附率计算方法

本实验初始Cr(Ⅵ)浓度为100 mg·L-1，吸附后将溶液离心，测量上清液的吸光度，由绘制的Cr(Ⅵ)吸光度标准曲线计算吸附后Cr(Ⅵ)浓度。

(1)

式中：C0——初始Cr(Ⅵ)浓度，mg·L-1

C1——残余Cr(Ⅵ)浓度，mg·L-1

Qv——吸附率，%

1.4 吸附实验

实验用Cr(Ⅵ)溶液浓度为100 mg·L-1，调节Cr(Ⅵ)溶液的pH值(用HNO3和NaOH溶液)，采用控制变量法，分别在不同投加量、温度、pH、时间下做吸附实验。

实验步骤：量取上述配制的Cr(Ⅵ)溶液100 mL置于烧杯中，按实验具体所需称取制得的烘干研磨后的Fe3O4-蛭石复合材料一定量加入烧杯中，在恒温水浴搅拌器中以1000 r·min-1反应2 h，再在高速离心机中以5000 r·min-1的速度离心5 min后分离上清液测量吸光度。利用不同浓度Cr(Ⅵ)的吸光度标准曲线计算Cr(Ⅵ)吸附量。

1.5 对比实验

在最佳实验条件进行膨胀蛭石与复合材料吸附的对比实验。分别取Cr(Ⅵ)溶液100 mL置于烧杯中，以吸附剂添加量为变量，在最佳实验条件下比较两种材料在相同的吸附条件下对Cr(Ⅵ)的吸附效果。

2 结果与讨论

2.1 不同浓度的Cr(Ⅵ)吸光度标准曲线

分别配制浓度为5、7、9、11、13、15 mg·L-1的Cr(Ⅵ)溶液，测量他们的吸光度，并对所得数据做图得到Cr(Ⅵ)的吸光度标准曲线。结果如图1所示。

图1 Cr(Ⅵ)不同浓度的吸光度Fig.1 Absorbance of different concentrations of Cr(VI)

2.2 Fe3O4-蛭石复合材料的添加量实验

当pH为6，吸附2 h，吸附温度为30 ℃，考察Fe3O4-蛭石复合材料投加量对Cr(Ⅵ)的吸附效果的影响。随着吸附剂投加量的增大，Cr(Ⅵ)的吸附量迅速增大，当投加量为0.2 g时，去除率达到97.5%。Cr(Ⅵ)的吸附效率最大且达到吸附平衡。原因为随着投放量的增大，表面可吸附点位随之增多，Cr(Ⅵ)与复合材料表面发生有效碰撞的几率变大，故使得金属离子更易与吸附位点结合，从而使得吸附效果大大提高。

图2 投加量对吸附Cr(Ⅵ)的影响Fig.2 Effect of dosage on adsorption of Cr(VI)

2.3 温度对Fe3O4-蛭石复合材料吸附Cr(Ⅵ)的影响

当pH为6，吸附2 h，Fe3O4-蛭石复合材料投加量为0.2 g，考察吸附温度对Cr(Ⅵ)的吸附效果的影响。由图3可知当温度偏低时吸附效率随温度的增大而增大，温度为30 ℃时，Fe3O4-蛭石复合材料的吸附率达到97.2%。温度继续升高，吸附量变化不大，吸附达到平衡。这是因为在合适的温度区间内，温度越高，溶液中的Cr(Ⅵ)和Fe3O4-蛭石复合材料颗粒的热运动加剧，活性位点增多，同时提高了Cr(Ⅵ)碰撞到活性位点的机会，增大了吸附效率。

图3 温度对Fe3O4-蛭石复合材料吸附Cr(Ⅵ)的影响Fig.3 Effect of temperature on adsorption of Cr(VI) on Fe3O4- vermiculite composites

2.4 pH值对Fe3O4-蛭石复合材料吸附Cr(Ⅵ)的影响

当Fe3O4-蛭石复合材料投加量为0.2 g，吸附2 h，吸附温度为30 ℃，考察PH对Cr(Ⅵ)的吸附效果的影响。由图4可知，pH值会通过影响溶液中的H+浓度和吸附剂表面电荷从而影响吸附效果。当pH值<4时，Cr(Ⅵ)的吸附效果偏低，这是由于在吸附过程中溶液中高浓度的H+与Cr(Ⅵ)存在竞争和排斥的作用，导致活性位点部分被H+占据。pH值的升高，H+浓度降低，去质子化作用明显，Cr(Ⅵ)的竞争优势增加。当pH为6时，Cr(Ⅵ)吸附率最大为98%。碱性过大时会破坏膨胀蛭石的晶格结构，故复合材料吸附Cr(Ⅵ)时的pH值不应过大或过小。

图4 pH值对Fe3O4-蛭石复合材料吸附Cr(Ⅵ)的影响Fig.4 Effect of pH on adsorption of Cr(VI) on Fe3O4-valve composite

2.5 反应时间对Fe3O4-蛭石复合材料吸附Cr(Ⅵ)的影响

当Fe3O4-蛭石复合材料投加量为0.2 g，pH为6，吸附温度为30 ℃，考察吸附时间对Cr(Ⅵ)的吸附效果的影响。由图5可知该复合材料对Cr(Ⅵ)的吸附能力较强，2 h时即可达到吸附平衡。这是因为吸附刚发生时，吸附剂表面的活性吸附位点较多，溶液中Cr(Ⅵ)浓度高，发生有效碰撞的机会大，溶液中的Cr(Ⅵ)迅速被吸附，故Fe3O4-蛭石复合材料在短时间内即可以取得很好的吸附效果，这为快速去除重金属离子提供了一个良好的思路。

图5 时间对Fe3O4-蛭石复合材料吸附Cr(Ⅵ)的影响Fig.5 Effect of time on adsorption of Cr(VI) on Fe3O4- vermiculite composites

2.6 蛭石和Fe3O4-蛭石复合材料吸附性能对比

由图6可知，在相同的吸附条件下复合材料的吸附性能明显优于膨胀蛭石，这是因为Fe3O4其本身具备很强的重金属离子吸附能力，将其负载在膨胀蛭石表面时增大了吸附表面积和活性吸附位点，复合材料颗粒与Cr(Ⅵ)发生有效碰撞的机会增多，吸附效果增大，而且磁性Fe3O4使得吸附剂发生络合反应的能力增加，可使表面络合物吸附更多的重金属离子，与溶液中的阳离子发生更多的离子交换形成同晶型效应电荷吸附，故Fe3O4-蛭石复合材料对Cr(Ⅵ)的吸附性能大大提高。Fe3O4具有良好的磁性有助于吸附材料从溶液中分离，从而脱附回收。

图6 蛭石和Fe3O4-蛭石复合材料对Cr(Ⅵ)的吸附曲线Fig.6 Adsorption curve of Cr(VI) on vermiculite and Fe3O4-vermiculite composites

3 结 论

蛭石具有较强的吸附性能，通过离子交换和物理吸附达到吸附效果。本实验通过在膨胀蛭石表面负载Fe3O4增大了吸附表面积和阳离子浓度，增加了复合材料吸附Cr(Ⅵ)的能力，实验效果良好。学生通过创新实验探究了物理化学教材中吸附条件对吸附过程的影响，加深了对课本知识的理解。