膨潤(rùn)土有機(jī)改性及吸附性能研究

王啟強(qiáng)，彭龍貴

（1.綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川綿陽(yáng)621000；2.西安科技大學(xué)，西安710054）

施工、設(shè)備與材料

膨潤(rùn)土有機(jī)改性及吸附性能研究

王啟強(qiáng)1，彭龍貴2

（1.綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川綿陽(yáng)621000；2.西安科技大學(xué)，西安710054）

結(jié)合天然膨潤(rùn)土的層狀結(jié)構(gòu)以及陽(yáng)離子型表面活性劑的正電性和疏水性，以十六烷基三甲基溴化銨（CTMAB）為改性劑，制得有機(jī)陽(yáng)離子改性膨潤(rùn)土。研究了有機(jī)改性膨潤(rùn)土投加量、pH值、吸附時(shí)間及吸附溫度對(duì)甲基橙模擬廢水脫色率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：有機(jī)改性膨潤(rùn)土的投加量為4 g/L，吸附時(shí)間為40 min，廢水pH值為6.0，吸附溫度為35℃時(shí)，有機(jī)改性膨潤(rùn)土對(duì)甲基橙模擬廢水的脫色率可以達(dá)到98.1%。

膨潤(rùn)土；改性劑；甲基橙；吸附

水處理劑產(chǎn)品、生產(chǎn)用原料、反應(yīng)試劑的綠色化，以及水處理劑生產(chǎn)反應(yīng)方式和生產(chǎn)反應(yīng)條件的綠色化，己成為工業(yè)科學(xué)的重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)方向［1－2］。目前，國(guó)際先進(jìn)的水處理劑正向高效能、低毒無(wú)公害、多功能、復(fù)合化的綠色產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展。膨潤(rùn)土作為來(lái)源廣泛、無(wú)毒、無(wú)二次污染、廉價(jià)易得的綠色水處理材料，在水處理行業(yè)應(yīng)用非常廣泛［3］。天然鈣基膨潤(rùn)土可以直接用來(lái)制備有機(jī)膨潤(rùn)土，省去膨潤(rùn)土鈉化過(guò)程，有利于節(jié)省生產(chǎn)成本。本研究采用正交試驗(yàn)法研究有機(jī)膨潤(rùn)土的制備工藝，利用有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)模擬印染廢水進(jìn)行吸附處理，探討吸附時(shí)間、有機(jī)膨潤(rùn)土的投加量、廢水pH值、廢水初始濃度及吸附溫度等因素對(duì)模擬廢水的脫色效果。

1 材料與方法

1.1 試劑及儀器

鈣基膨潤(rùn)土（工業(yè)級(jí)）；十六烷基三甲基溴化銨（AR）；甲基橙（AR）；TU－1901型紫外分光光度計(jì)。

1.2 膨潤(rùn)土的改性

采用正交試驗(yàn)法對(duì)膨潤(rùn)土改性工藝進(jìn)行研究，利用濕法工藝制備有機(jī)膨潤(rùn)土，將十六烷基三甲基溴化銨（CTMAB）配制成一定濃度的溶液，加入經(jīng)活化的鈣基膨潤(rùn)土懸浮液，在70～90℃溫度下反應(yīng)70～90 min，冷卻至室溫，用水洗去未反應(yīng)的CTMAB后離心沉淀，在60℃下干燥約8 h，最后研磨粉碎得到樣品，考察有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)甲基橙的吸附效果。

1.3 吸附性能測(cè)試

采用甲基橙模擬印染廢水，配置甲基橙初始質(zhì)量濃度為100 mg／L。

室溫下準(zhǔn)確稱量一定量的有機(jī)膨潤(rùn)土，加入至甲基橙廢水中，攪拌一定時(shí)間后沉淀8 h，取上層清液，用紫外分光光度計(jì)在470 nm處測(cè)定其吸光度，并由下式計(jì)算脫色率η：

式中：A0、A——廢液處理前、后的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨潤(rùn)土有機(jī)改性結(jié)果

有機(jī)膨潤(rùn)土制備過(guò)程［4］主要有4個(gè)影響因素，溫度、時(shí)間、改性劑投加量和pH值。利用正交試驗(yàn)法制備有機(jī)膨潤(rùn)土，選擇L9（34）正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)，因素水平、正交試驗(yàn)結(jié)果分別如表1、表2所示。

表1 因素水平Tab.1Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.2Results of orthogonal experiment

由表1和表2可以看出，有機(jī)膨潤(rùn)土制備過(guò)程中的4個(gè)控制條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度如下：反應(yīng)溫度＞改性劑用量＞體系pH值＞反應(yīng)時(shí)間。最佳改性方案是：A2B1C3D2。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定優(yōu)化方案是：反應(yīng)溫度為80℃，反應(yīng)時(shí)間為70 min，改性劑投加量為5.5 g，體系pH值為8。制備有機(jī)陽(yáng)離子改性膨潤(rùn)土常用鈉基膨潤(rùn)土，反應(yīng)更易進(jìn)行，常溫下也可反應(yīng)，本研究選用天然鈣基膨潤(rùn)土在較高溫度下進(jìn)行改性，脫色率最高可達(dá)86.7%，說(shuō)明天然鈣基膨潤(rùn)土可直接用來(lái)制備有機(jī)膨潤(rùn)土［5］。

2.2 廢水pH值對(duì)脫色效果的影響

取甲基橙溶液50 mL，有機(jī)膨潤(rùn)土投加量為0.5 g，在室溫下考察pH值對(duì)有機(jī)膨潤(rùn)土吸附甲基橙的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 廢水pH值對(duì)脫色效果的影響Fig.1 Effect of wastewater pH value on decolorization rate

由圖1可以看出，隨著廢水pH值升高，有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)甲基橙廢水的脫色率提高，在pH值為6.0時(shí)，脫色率達(dá)到最大，為94.0%。此后，再升高廢水的pH值，脫色率反而下降。當(dāng)溶液呈堿性時(shí)，由季銨離子參與構(gòu)成的有機(jī)土層間結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定；同時(shí)，甲基橙在溶液中的離子性也較強(qiáng)，有利于陽(yáng)離子在層間對(duì)甲基橙產(chǎn)生親合作用。酸性條件下，溶液中的H＋會(huì)在一定程度上交換有機(jī)土層間的季銨離子，結(jié)果就必然導(dǎo)致部分有機(jī)膨潤(rùn)土發(fā)生變性，此時(shí)有機(jī)膨潤(rùn)土的親油疏水性下降，對(duì)甲基橙的吸附能力降低［6－7］?？紤]到廢水pH值的排放標(biāo)準(zhǔn)（pH=6～9），故選擇pH值為6.0進(jìn)行廢水脫色處理。

2.3 有機(jī)膨潤(rùn)土投加量對(duì)脫色效果的影響

取甲基橙溶液50 mL，調(diào)節(jié)pH值為6.0，在室溫下考察有機(jī)膨潤(rùn)土投加量對(duì)甲基橙脫色率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 吸附劑用量對(duì)脫色效果的影響Fig.2Effect of adsorbent dosage on decolorization rate

由圖2可以看出，隨著有機(jī)膨潤(rùn)土投加量的增加，甲基橙模擬廢水的脫色率不斷增大，當(dāng)投加量為0.20 g時(shí)，脫色率達(dá)98.3%。膨潤(rùn)土屬于多層結(jié)構(gòu)體系，在對(duì)有機(jī)物進(jìn)行吸附時(shí)滿足多層共吸附機(jī)理［8］，當(dāng)有機(jī)膨潤(rùn)土投加量較少時(shí)，其吸附容量有限，使得大量的有機(jī)物仍在水溶液中不被吸收；隨著有機(jī)膨潤(rùn)土投加量增加，吸附飽和后，溶液中呈自由運(yùn)動(dòng)的有機(jī)物濃度越來(lái)越小，溶液中有機(jī)物的濃度不再隨有機(jī)膨潤(rùn)土投加量的增加而變大，趨于恒定［7－9］；同時(shí)過(guò)多的有機(jī)膨潤(rùn)土?xí)驗(yàn)殡y以沉淀而懸浮在溶液中，影響脫色率的測(cè)定結(jié)果。因此，有機(jī)膨潤(rùn)土投加量為4 g／L時(shí)脫色效果最好。

2.4 吸附時(shí)間對(duì)脫色效果的影響

取甲基橙溶液50 mL，調(diào)節(jié)pH值為6.0，有機(jī)膨潤(rùn)土投加量為0.2 g，在室溫下考察有機(jī)膨潤(rùn)土在不同的吸附時(shí)間下對(duì)甲基橙脫色率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 吸附時(shí)間對(duì)脫色效果的影響Fig.3Effect of adsorption time on decolorization rate

由圖3可以看出，脫色率隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，在60 min時(shí)，有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)甲基橙溶液的吸附達(dá)到最大，脫色率為97.3%。60 min后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)脫色率的增加幅度很小，說(shuō)明此時(shí)吸附達(dá)到平衡。利用CTMAB對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改性后，有機(jī)陽(yáng)離子進(jìn)入膨潤(rùn)土的層間，增大了膨潤(rùn)土的層間距，有利于甲基橙的吸附，吸附初期由于空間比較大，吸附速度較快，當(dāng)吸附一定時(shí)間后，有機(jī)膨潤(rùn)土的吸附量達(dá)到飽和狀態(tài)，逐漸降低了吸附速度，最終趨于穩(wěn)定［8－9］。

2.5 吸附溫度對(duì)脫色效果的影響

取甲基橙溶液50 mL，調(diào)節(jié)pH值為6.0，有機(jī)膨潤(rùn)土投加量為0.2 g，吸附時(shí)間為60 min，考察有機(jī)膨潤(rùn)土在不同吸附溫度時(shí)對(duì)甲基橙脫色率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 吸附溫度對(duì)脫色效果的影響Fig.4Effect of adsorption temperature on decolorization rate

由圖4可以看出，隨著吸附溫度的升高，有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)甲基橙模擬廢水的脫色率逐漸增大，當(dāng)溫度升高到35℃時(shí)，脫色率達(dá)到最大值98.1%；之后則開(kāi)始降低。有機(jī)膨潤(rùn)土之所以能對(duì)甲基橙產(chǎn)生吸附作用，主要緣于其層間季銨離子上連接的十六烷基有機(jī)基團(tuán)與甲基橙之間的親合作用，但這種作用是分子間作用，作用強(qiáng)度有限。因此，隨著溫度的升高，甲基橙的熱運(yùn)動(dòng)能力逐漸增強(qiáng)，有機(jī)膨潤(rùn)土與甲基橙間的分子間作用力下降，從而導(dǎo)致脫色率降低［10－12］。

3 結(jié)論

（1）正交試驗(yàn)表明，利用有機(jī)陽(yáng)離子對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改性的最佳條件是：反應(yīng)溫度為80℃，反應(yīng)時(shí)間為70 min，改性劑投加量為5.5 g，體系pH值為8。

（2）吸附試驗(yàn)結(jié)果表明，在甲基橙初始質(zhì)量濃度為100 mg／L，吸附時(shí)間為40 min，有機(jī)膨潤(rùn)土的投加量為4 g／L，廢水pH值為6.0，吸附溫度為35℃的條件下，有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)甲基橙的脫色率可以達(dá)到98.8%。

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Study on organic modification of bentonite and its adsorption performance in wastewater

WANG Qi-qiang1，PENG Long-gui2
（1.Mianyang Polytechnic,Mianyang 621000,China;2.Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054,China）

Based on the stratified structure of natural bentonite and the positive electricity and hydrophobic property of cationic surfactant,with hexadecyl trimethyl ammonium bromide(CTMAB)as the modifier,organic cation modified bentonite was prepared.The influences of organic modified bentonite,pH value,adsorption time, and adsorption temperature on decolorization rate of stimulated methyl orange wastewater were studied.The results of the test showed that,when the dosage of organic modified bentonite was 4 g/L,the adsorption time was 40 min,the pH value of the wastewater was 6.0,the adsorption temperature was 35℃,the decolorization rate of the simulated methyl orange wastewater by the said modified bentonite could reach 98.1%.

bentonite;modifier;methyl orange;adsorption

X703.5

A

1009－2455（2016）06－0051－03

王啟強(qiáng)（1987-），男，陜西嵐皋人，助教，碩士，主要從事膨潤(rùn)土改性及水處理相關(guān)的研究，（電子信箱）460377579@ qq.com。

2016-07-22（修回稿）

四川省教育廳資助項(xiàng)目（15ZB0410）