硫酸改性硅藻土高效吸附去除废水中铅离子的机理与应用研究

本研究针对水体铅污染问题，系统探讨了硫酸改性硅藻土对Pb2+的吸附性能。通过优化改性参数（H2SO4浓度、活化时间等）使去除率达77.93%，最佳吸附条件下去除率提升至89.5%。Langmuir和Sips模型拟合表明其最大吸附容量为25.1 mg/g，动力学符合颗粒内扩散机制。该研究为重金属废水处理提供了低成本高效吸附剂，对实现可持续水处理具有重要意义。

　　

随着工业化的快速发展，水体中重金属污染已成为全球性环境问题。其中，铅离子（Pb²⁺）因其高毒性、生物累积性和不可降解性，对生态系统和人类健康构成严重威胁。铅污染主要来源于铅酸电池制造、金属采矿、弹药生产和纺织印染等工业过程。世界卫生组织（WHO）规定饮用水中铅含量不得超过0.01 mg/L，但传统处理方法如化学沉淀、离子交换和膜过滤存在成本高、易产生二次污染等局限性。吸附法因操作简单、成本低廉且高效而备受关注，开发新型吸附材料成为研究热点。

硅藻土（Diatomite）是一种天然硅质沉积岩，具有多孔结构和较大比表面积，但其天然吸附能力有限，需通过改性处理提升性能。硫酸改性可有效去除杂质、增加孔隙结构，并引入硫酸根官能团增强对重金属的吸附能力。尽管已有研究探索锰氧化物改性硅藻土对铅的吸附，但硫酸改性埃塞俄比亚硅藻土在铅去除方面的系统研究尚属空白。

本研究通过硫酸改性硅藻土，系统优化了改性参数（酸浓度、活化时间、固液比和温度），并详细表征了材料性质。采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积分析和X射线衍射（XRD）等技术对改性前后材料进行表征。吸附实验考察了溶液pH、吸附剂剂量、接触时间和初始铅浓度对去除效率的影响，并通过等温线和动力学模型深入探讨吸附机制。

研究通过SEM观察到改性后硅藻土表面更加粗糙多孔，BET比表面积从22.39 m²/g增至34.83 m²/g。FT-IR分析显示改性材料在1180 cm^-1处出现硫酸根特征峰，XRD证实蒙脱石相被有效去除。pH_PZC测定表明改性材料等电点为6.2，在pH>6.2时表面带负电，有利于阳离子吸附。

吸附实验表明，在pH=7、吸附剂剂量0.8 g/100 mL、接触时间45 min、初始铅浓度10 ppm条件下，铅去除率最高达89.5%。等温线拟合显示Langmuir和Sips模型最符合实验数据，最大吸附容量为25.1 mg/g，表明单层吸附占主导。动力学研究表明颗粒内扩散模型拟合最佳，说明孔扩散是速率控制步骤。

可能的吸附机制包括：硅醇基（Si-OH）去质子化产生的负电荷表面与Pb²⁺的静电吸引；硫酸根官能团与铅离子的表面络合；以及潜在的离子交换作用。改性引入的硫酸根和增加的孔隙结构共同增强了吸附性能。

与蒙脱石（10.4 mg/g）、膨胀珍珠岩（13.39 mg/g）等吸附剂相比，硫酸改性硅藻土表现出竞争优势，但略低于锰改性硅藻土（99 mg/g）。该材料的优势包括成本低、环境友好和改性简单，但存在pH敏感性和饱和后处理问题。

本研究证实硫酸改性硅藻土是一种高效、可持续的铅吸附剂，为废水处理提供了新技术方案。未来研究应关注材料再生、酸残留控制、实际废水应用和环境影响评估，以推动其实际应用。该工作符合可持续发展目标（SDGs），对保障水资源安全和公共健康具有重要意义。