山东某地麦饭石H2SiO3 溶出量及吸附性能试验研究

王盼盼，孟 燕

(中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100)

麦饭石[1]是我国古代医药学家根据其外观颇似大麦米煮出的饭团而命名的一种传统天然矿物药石，具有多孔性、吸附性、溶析性、调节性、活化性、矿化性等独特性质[2]，对饮用水中的矿物质和多种重金属离子有较好的调节能力，可改善饮用水的水质。

目前，对山东地区的麦饭石缺少H2SiO3溶出性能及吸附性能的基础研究。本文在优化条件下测定了麦饭石样品中的H2SiO3溶出量，测定了麦饭石样品对4 种重金属离子的吸附率，结果满足饮用天然矿泉水标准[3]中界限指标的要求，为后续的麦饭石资源加工利用提出了符合技术经济要求的试验条件。

1 麦饭石矿石简述

本文试验的麦饭石来自山东某地。根据含矿母岩岩性，区内麦饭石属巨斑角闪石英二长斑岩型麦饭石[4]，根据风化程度矿石可分为风化矿石和新鲜矿石两种。风化矿石呈黄褐色—灰褐色，地表呈沙土状，保留原岩结构、构造，新鲜岩石呈浅肉红色或浅灰黑色，斑状结构，块状构造。

两种矿石的主要矿物组成、化学成分、微量元素含量大致相同，与邹平、中华麦饭石基本相当[5]。主要矿物组成为：斑晶主要为斜长石和钾长石，含量约30%，基质有斜长石20%、钾长石30%、石英10%、角闪石10%。两种矿石化学成分相近，平均含量 为：SiO266.60%、Al2O315.55%、K2O 5.84%、CaO 4.46%、Fe2O3+FeO 3.24%、Na2O 2.70%、MgO 2.67%、P2O50.46%、TiO20.32%、MnO 0.09%。矿石中对人体有益的微量元素Se、Sr、Li、Zn 的含量均高于地壳丰度值，而Pb、Cd、As、Cr 等有害元素含量低于或相当于地壳平均值[6]。

2 麦饭石H2SiO3 溶出量试验

麦饭石作为一种水质净化剂和改良剂[7]，经其矿化的水含有人体所需的多种矿物质和微量元素，其中包括H2SiO3。H2SiO3已被证实具有软化血管的功能，可缓解动脉硬化症，饮用富含H2SiO3的水对心脏病、高血压、动脉硬化均有一定医疗保健作用[8]。饮用天然矿泉水标准中对界限指标提出了要求，其中H2SiO3含量≥25.0mg/L。结合本区麦饭石欲作矿化、净化水的用途，选定H2SiO3溶出量作为本次试验的对象。

2.1 溶出条件试验

影响麦饭石矿石溶出性能的主要因素[9]有：样品粒度、固液比及浸泡时间。本次试验以风化矿石样品作为试验对象，开展了不同粒度、不同固液比和不同浸泡时间的对照试验，以获得最佳试验技术条件。

(1)粒度试验。

分别取2、40、80、120、150、200 目的麦饭石样品，与蒸馏水按固液比1 ∶5(质量比，下同)配制溶液，在浸泡时间24h 后，取其澄清溶液分别测定H2SiO3溶出量(表1)。由表1 可知，样品粒度越小，H2SiO3溶出量越大。这是因为颗粒尺寸减小，颗粒比表面积增大，这将增加与水接触的表面积，增强水合作用，矿物元素迁移路径和所用时间大为缩短，从而使H2SiO3的溶出量明显增加[9]。因此，确定200目为最佳样品粒度。

表1 不同样品粒度H2SiO3 溶出量测试结果表

(2)固液比试验。

在样品粒度200目、浸泡时间24h的试验条件下，分别按1 ∶150、1 ∶100、1 ∶80、1 ∶50、1 ∶20及1 ∶5 的固液比进行测试(表2、图1)。由表2、图1 可知，随着固液比的增大，H2SiO3的含量增加相对缓慢，当固液比为1 ∶20 时，H2SiO3含量增幅明显。研究表明，将麦饭石投加到水中后，麦饭石表面与水体接触形成界面水膜，水分子在表面力和毛细管力的作用下通过界面水膜进入麦饭石颗粒内部，并与矿物组分发生水合作用，矿物组分通过离子交换、迁移、扩散等通过界面水膜进入水体中[9]。固液比增大，水与麦饭石颗粒的接触面积增大，有利于水分子进入矿石内部发生水合作用，将矿物元素转移到水中。结合实际应用性，将麦饭石固液比定为1 ∶20，此时可获得较好的溶出效果。

表2 不同固液比H2SiO3 溶出量测试结果表

图1 不同固液比H2SiO3 溶出量结果图

(3)浸泡时间试验。

在样品粒度200 目、固液比1 ∶20 的试验条件下，分别于0.5、1、2、6、12、24h 浸泡后，测试其浸泡液中H2SiO3含量(表3、图2)。由表3、图2可知，时间与H2SiO3的溶出量是正相关关系。离子迁移和扩散速度与浓度差有关，高浓度离子必然向不含离子或低浓度的水中迁移，当浓度差减小时，时间对溶出量的影响较小。本试验条件下，2h 时基本达到溶出平衡。在样品粒度200 目、固液比1 ∶20的试验条件下，浸泡2h 即可获得较好的H2SiO3溶出效果。

图2 不同浸泡时间H2SiO3 溶出量测试结果图

表3 不同浸泡时间H2SiO3 溶出量测试结果表

综上，将粒度200 目、固液比1 ∶20、浸泡时间2h 作为本次测定麦饭石H2SiO3溶出量的最佳试验溶出条件。

2.2 溶出效果试验

本试验共对119 件麦饭石样品(其中风化样品98 件、新鲜样品21 件)进行H2SiO3溶出量测定。取200 目麦饭石样品50g，置于1L 蒸馏水中，在常温条件下浸泡2h 后，取其澄清溶液进行H2SiO3含量测定(表4、图3)。结果表明：①风化样品与新鲜样品在蒸馏水中均能溶出H2SiO3，H2SiO3含量均超过25.0mg/L；②风化样品的H2SiO3溶出量平均值为146.87mg/L，高于新鲜样品的107.16mg/L；③风化样品的H2SiO3溶出量最大值约为新鲜样品的3 倍。综上，在最佳H2SiO3溶出条件下，风化样品的H2SiO3溶出效果优于新鲜样品，两者均满足饮用天然矿泉水标准中的界限指标要求。

表4 麦饭石样品H2SiO3 溶出量测定结果表

图3 麦饭石样品H2SiO3 溶出量测试结果散点图

3 麦饭石吸附性能试验

随着社会的高速发展，工业废水、生活污水排放量急剧增长，且水中的污染物浓度，特别是重金属离子浓度也随之增大。水体中的重金属离子是国际公认的具有致癌、致突、致畸效应[10]和遗传毒性的物质，直接影响人们的身体健康，去除水体中重金属离子的研究已引起越来越多的关注。

麦饭石作为一种天然矿产资源，因具有大的孔隙和比表面积[11]，使其具有良好的吸附性能。采用麦饭石作为吸附剂去除水体中的重金属离子，在净化水质的同时，又可以调节水质，增加水的微量元素和生物活性。

3.1 吸附时间试验

常温下，将粒度为200 目的风化样品20g 放入1L 配制的标准溶液中(Pb 0.100mg/L、Cd 0.050mg/L、As 0.100mg/L、Cr 0.500mg/L，相当于生活饮用水上限浓度的10 倍)，并分别于2、4、8、12、18、24h 浸泡后，取其澄清液，测定其中重金属离子的含量(表5、图4)。试验结果表明：①在给定初始浓度及测试条件下，随着吸附时间的增加，麦饭石对Pb、Cr、Cd、As 的吸附率均有不同程度的增加；②麦饭石对不同重金属离子的吸附平衡时间不同，Pb 离子最快，8h 即可达平衡；As 在12h时基本达到平衡；Cd、Cr 最慢，在18h 时趋于平衡；③麦饭石对不同重金属离子的吸附率不同。鉴于以上三点，试验中吸附时间定为24h，以获得最大吸附量并保证反应平衡。

表5 不同时间麦饭石吸附重金属离子结果表

图4 不同时间麦饭石吸附重金属离子结果图

3.2 吸附效果试验

分别取两件风化样品、两件新鲜样品各20g，粒度均为200 目，4 件样品分别放入1L 配制的标准 溶 液 中(Pb 0.100mg/L、Cd 0.050mg/L、As 0.100mg/L、Cr 0.500mg/L)，浸泡24h 后，取其澄清液，测定其重金属离子的含量(表6)。结果显示：①两种样品对溶液中含有一定浓度的重金属离子均有吸附作用，风化样品的吸附性能优于新鲜样品。这是因为风化样品的孔隙发育更好，比表面积更大，更有利于重金属离子的吸附；②麦饭石样品对Pb、Cr、Cd、As 的吸附率分别为85%～92%、71%～76%、56%～62%、23%～34%。红外光谱分析证明麦饭石中具有大量SiO-基团[10]，因此，在固液体系中麦饭石颗粒表面可形成水合氧化物覆盖层，表面呈负电性，通过静电引力可以将金属阳离子吸附在其表面, 因此麦饭石对重金属离子有较好的吸附作用；③此试验条件下，麦饭石对重金属离子的吸附率从大到小排序为Pb>Cr>Cd>As。

表6 麦饭石样品吸附重金属离子结果表

4 结论与讨论

(1)经试验，粒度200 目、固液比1 ∶20、浸泡时间2h 为本次测定麦饭石H2SiO3溶出量的最佳溶出条件。

(2)在上述条件下，风化样品的H2SiO3溶出量优于新鲜样品，并均达到饮用天然矿泉水标准界限指标中的H2SiO3含量≥25.0mg/L 的要求。

(3)在粒度200 目，吸附时间24h 条件下，两种样品对重金属离子均有吸附作用，且风化样品的吸附性能优于新鲜样品；麦饭石样品对Pb、Cr、Cd、As 的 吸 附 率 分 别 为85% ～92%、71% ～76%、56%～62%、23%～34%；麦饭石对重金属离子的吸附率从大到小排序为Pb>Cr>Cd>As。

(4)在粒度200 目条件下，麦饭石对重金属离子的最佳吸附时间为24h。其他目数、不同pH 值、不同温度等试验条件下对重金属离子的最佳吸附时间有待进一步研究。本区麦饭石中其他矿物元素的溶出性能及其他重金属离子等的吸附性能有待进一步试验证明。