凹凸棒石粘土是一种天然镁铝硅酸盐矿物，其来源广泛，价格低廉，具有较大的比表面积和较高的吸附能力，在水污染的吸附法处理中具有吸附效果好、处理成本低、再生简单等优点，成为水体重金属污染治理领域的研究热点。本文将甘肃靖远地区的凹凸棒石分别进行预处理、提纯和酸热改性处理，分别得到天然凹土、提纯凹土、改性凹土，以这三种凹凸棒石粘土作为吸附剂进行去除镉离子的批次振荡吸附试验，研究三种材料对水溶液中的Cd(Ⅱ)的吸附性能，并对实验数据进行动力学、等温吸附模型和热力学分析，讨论凹凸棒石吸附Cd(Ⅱ)的机理。实验结果表明:
(1)Cd(Ⅱ)在三种凹土上的吸附量和去除率均随温度的升高而增加，且初始浓度越大其提高越明显;吸附量随初始浓度的升高而增加并逐渐趋于稳定，而去除率则随初始浓度的升高而减小。三种材料的吸附动力学曲线特征一致，均呈现快速吸附、慢速吸附与吸附平衡三阶段;天然凹土、纯化凹土和改性凹土分别在均在180、180、240min时吸附基本达到平衡。
(2)Cd(Ⅱ)在三种凹土上的吸附全过程均可以用准二级动力学方程描述，准一级动力学方程、Elovich方程和双常数方程均不适合描述吸附全过程，控制吸附全程的是一个化学吸附过程。随温度的上升，准二级动力学速率常数k2、初始吸附速度h0和吸附量qe2均增大;随着Cd2+初始浓度的上升，h0、qe2均增大而k2减小;Elovich方程和双常数方程能较好的描述吸附反应前期，吸附前期是一个反应速率和扩散因子综合控制的非均相扩散过程。
(4)不同条件下的颗粒内扩散曲线均呈现多段线性，Cd(Ⅱ)三种凹土表面的吸附历经三个阶段:液膜扩散阶段，颗粒内扩散阶段和内表面吸附阶段，其中外表面吸附和外层离子交换对吸附量的贡献最大;三种凹土吸附Cd2+的过程均由粒子内扩散和外表面扩散共同控制，在Cd2+浓度较低时吸附主要由边界层扩散控制，Cd2+浓度较高时主要由颗粒内扩散控制;在吸附初期，边界层的液膜扩散为速率控制过程，随着吸附进行，颗粒内扩散控制成为主要速率控制步骤，接近平衡时内扩散影响逐渐减小，镉离子在凹土颗粒的内表面吸附成为主要控制步骤。
(3)Cd2+在三种凹土上的吸附同时符合Langmuir、Freundlich和D-R模型，且以Langmuir模型相关系数r2最大，表明该吸附近似单分子层吸附，但存在不均匀表面和多孔结构;b、Kf和n均随温度的升高而增大，且所有1＜n＜2、所有分离因子RL＜1，表明Cd2+在三种凹土上的吸附均是优惠吸附，具有较强吸附能力，由Langmuir得到的三种凹土的饱和吸附量qm分别为12.69-16.420、28.653-32.258、39.063-46.083mg/g，由D-R模型得到的三种凹土的Es分别为9.901-12.127、11.323-13.868、12.127-15.076kJ/mol，三种凹土对Cd2+的吸附均包含离子交换作用。
(4)在实验的温度和浓度范围内，Cd2+在三种凹土上的吸附均是自发熵增的吸热过程，ΔH0和ΔS0均随初始浓度的增大而降低;ΔG0随初始浓度的增加而增大，随温度的升高而减小;其主要作用力均有氢键力和偶极矩力，对天然凹土在高浓度下范德华力开始发挥主要作用，对改性凹土在低浓度下存在配位基交换作用和化学键力;Cd2+在三种凹土上的吸附均是物理吸附和化学吸附并存的过程，包括凹土表面的离子交换作用、表面络合作用和静电吸附，在天然凹土和纯化凹土上的吸附以物理吸附为主;在改性凹土上高浓度时以物理吸附为主，低浓度时化学吸附发挥重要作用。三种凹土吸附镉离子的活化能Ea分别为24.834、25.484、15.847kJ/mol。
    关键词：
    凹凸棒石 水体污染 重金属 吸附性能
    作者：
    傅正强
    学位授予单位：
    兰州交通大学
    授予学位：
    硕士
    学科专业：
    环境科学
    导师姓名：
    陶玲
    学位年度：
    2013
    语种：
    中文
    分类号：
    X52 X505
    在线出版日期：
    2013年12月31日