低品位海泡石的酸熱改性及對(duì)吸附性能的影響*

陳 鎮(zhèn)，向明輝，蔣 鵬，劉 鵬

(湖南工程學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，湘潭 411104)

低品位海泡石的酸熱改性及對(duì)吸附性能的影響*

陳 鎮(zhèn)，向明輝，蔣 鵬，劉 鵬

(湖南工程學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，湘潭 411104)

海泡石是一種性能突出、功能強(qiáng)大的粘土礦物，然而，在開(kāi)采中，低品位(純度﹤15%)的海泡石原礦因含雜量多，加工難度大，直接利用價(jià)值低，而常被廢棄.本文分別考察了酸改性、熱改性及酸熱聯(lián)合改性三種簡(jiǎn)易改性方法對(duì)低品位海泡石原礦吸附性能的影響，結(jié)果表明，采用酸熱聯(lián)合改性效果最好，在鹽酸濃度5 mol/L、酸處理溫度50 ℃、酸處理時(shí)間5 h、煅燒溫度800 ℃、煅燒時(shí)間6 h條件下，改性后海泡石對(duì)活性艷藍(lán)K-3R染料的吸附量可從初始的0.61 mg/g提高到6.42 mg/g，吸附效率從6.1%提高到64.2%，已可用于一些環(huán)境工程的預(yù)處理環(huán)節(jié).

海泡石；改性；吸附性能；活性艷蘭

海泡石屬于特種稀有富鎂硅酸鹽類(lèi)非金屬粘土礦物，目前世界探明儲(chǔ)量約為8000多萬(wàn)噸，中國(guó)已探明儲(chǔ)量2600萬(wàn)噸，90%分布在湖南，湖南80%以上分布在湘潭，湘潭約占世界探明儲(chǔ)量的25%，堪稱(chēng)“中國(guó)海泡石之都”[1].海泡石的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)式為Mg8(H2O)4[Si6O16]2(OH)4·8H2O，基本結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)為上下層為硅氧四面體、中間層為鎂氧八面體[2-3].目前，經(jīng)純化改性的海泡石精礦已廣泛用于涂料、建材、環(huán)保、國(guó)防等多個(gè)領(lǐng)域，是公認(rèn)的天然、安全、綠色的新型礦物吸附劑[4-5]；其吸附機(jī)理為[6-7]：(1)硅氧四面體層中的氧原子攜帶的弱電荷與吸附物之間的靜電作用，(2)邊緣鎂離子配位的水分子與吸附物之間的氫鍵作用，(3)Si-O-Si鍵破壞而形成的Si-OH基團(tuán)與被吸附物的絡(luò)合作用.

而在現(xiàn)實(shí)開(kāi)采中，部分品位低下的海泡石原礦(純度在15%以下)，因直接利用難度大，加工成本與投入產(chǎn)出不成比例而遭廢棄，造成資源的大量浪費(fèi).本文以簡(jiǎn)易、快捷、低成本的改性方法對(duì)低品位海泡石進(jìn)行改性，并通過(guò)考察其對(duì)水溶性染料活性艷藍(lán)K-3R(常用于棉、麻、粘膠等纖維的染色和印花，分子量較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易降解，如圖2所示)的吸附性能來(lái)評(píng)價(jià)其改性效果.

圖1 海泡石的晶體結(jié)構(gòu)圖

圖2 活性艷藍(lán)K-3R的分子結(jié)構(gòu)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、藥品及儀器

(1)主要材料與藥品

低品位海泡石原礦粉(湘潭源遠(yuǎn)海泡石新材料股份有限公司，純度：10%～15%，細(xì)度：200目)，顏色呈淺灰色，其基本化學(xué)組成(w/%)為：

表1 海泡石原礦的化學(xué)組成

其他藥品：活性艷蘭K-3R(浙江龍盛染料化工有限公司，預(yù)先用蒸餾水配置成100 mg/L標(biāo)準(zhǔn)染液待用)，37%濃鹽酸(天津科密歐化學(xué)試劑有限公司).

(2)主要儀器與設(shè)備

V-1200型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司)，SX2-8-16NP型馬弗爐(浙江賽德儀器有限公司)，SHA-C水浴恒溫振蕩器(常州市金壇晨陽(yáng)電子儀器廠)，F(xiàn)A12004電子天平(上海方瑞儀器有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 低品位海泡石原礦的初始吸附性能測(cè)試

對(duì)低品位海泡石原礦不做任何處理加工，直接用于吸附活性艷蘭染液，考察其初始吸附能力.

1.2.2 海泡石的酸改性及對(duì)吸附性能的影響

采用不同濃度的鹽酸對(duì)海泡石進(jìn)行酸改性，考察其吸附性能的變化.

1.2.3 海泡石的熱改性及對(duì)吸附性能的影響

在不同煅燒溫度下對(duì)海泡石進(jìn)行熱改性，考察其吸附性能的變化.

1.2.4 海泡石的酸熱聯(lián)合改性及對(duì)吸附性能的影響

先對(duì)海泡石進(jìn)行鹽酸改性，再對(duì)酸改性后的海泡石進(jìn)行煅燒熱改性，考察其吸附性能的變化.

1.3 吸附性能測(cè)試

以單位質(zhì)量(1 g)海泡石在單位時(shí)間(1 h)內(nèi)對(duì)單位體積(100 ml)水溶性染料的吸附量來(lái)表征海泡石的吸附性能(mg/g).

通過(guò)紫外可見(jiàn)分光光度儀在活性艷蘭K-3R最大特征吸收波長(zhǎng)(588 nm)下分別測(cè)定溶液吸附前后的吸光度，再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)(吸光度A和濃度C的關(guān)系：A=12.871C-0.0356)計(jì)算其相對(duì)應(yīng)的濃度，

則海泡石對(duì)活性艷蘭K-3R的吸附量M(mg)為：M=C1·V·10-3.

其中：C1指吸附后殘余染液的濃度，mg/L，V指染液的體積，ml；

則其對(duì)活性艷蘭K-3R的吸附性能為Mmg/g；

其中：C0指吸附前初始染液的濃度，mg/L，C1指吸附后殘余染液的濃度，mg/L.

2 結(jié)果與討論

2.1 海泡石原礦的初始吸附性能

取已配置好的活性艷蘭K-3R標(biāo)準(zhǔn)染液100 ml，在室溫(20 ℃)條件下，加入低品味海泡石原礦粉末1 g，攪拌均勻，然后靜置吸附1 h，取上清液進(jìn)行測(cè)試.

測(cè)得染液殘余濃度為93.9 mg/L，則低品味海泡石原礦對(duì)活性艷蘭K-3R的初始吸附量為0.61 mg，吸附性能為0.61 mg/g，吸附效率為6.1%，吸附能力很弱.

2.2 酸改性對(duì)海泡石吸附性能的影響

2.2.1 改性條件

按料液比1∶20，分別取海泡石原礦粉末5 g加入到不同濃度(1、3、5、7、9 mol/L)的鹽酸溶液中，在室溫(20 ℃)下，攪拌均勻、靜置反應(yīng)4 h，然后抽濾，取其濾餅在105 ℃下烘燥4 h，再研磨成粉狀備用.

2.2.2 吸附性能

在室溫(20 ℃)條件下，取100 ml活性艷蘭K-3R標(biāo)準(zhǔn)染液5份，分別加入不同濃度酸改性海泡石粉末1 g，攪拌均勻，靜置吸附1 h，取上清液進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算，測(cè)得不同濃度酸改性海泡石對(duì)活性艷蘭K-3R的吸附量及變化趨勢(shì)如圖3所示.

從圖3可以看出，鹽酸改性能明顯改善海泡石原礦的吸附性能，原因是鹽酸中的H+取代海泡石結(jié)構(gòu)骨架中的Mg2+，發(fā)生Si-O-Mg-O-Si + H+→2Si-O-H + Mg2+反應(yīng)，增大了孔隙率；同時(shí)，海泡石結(jié)構(gòu)層間和孔道里的碳酸鹽雜質(zhì)被適量清除，部分通道連通，增加了孔容積和表面積[8-9].而在低酸度下，海泡石中溶出的鎂離子少，孔道中的碳酸鹽雜質(zhì)清除也不夠徹底，因此，吸附能力相對(duì)改善較弱，而酸度過(guò)高，又會(huì)破壞海泡石的層間結(jié)構(gòu)，反而對(duì)其吸附能力產(chǎn)生不利影響.

圖3 酸改性對(duì)海泡石吸附性能的影響

2.3 熱改性對(duì)海泡石吸附性能的影響

2.3.1 改性條件

各取低品位海泡石原礦粉5 g分別在溫度200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1000 ℃下煅燒3 h，然后降至室溫、取出樣品備用.

2.3.2 吸附性能

在室溫(20 ℃)條件下，取100 ml活性艷蘭K-3R染液5份，分別加入不同溫度熱改性海泡石粉末1 g，攪拌均勻，靜置吸附1 h，取上清液進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算，測(cè)得不同溫度熱改性條件下海泡石對(duì)活性艷蘭K-3R的吸附量及變化趨勢(shì)如圖4所示.

圖4 熱改性對(duì)海泡石吸附性能的影響

從圖4可以看出：熱改性溫度越高，改性效果越好，原因是在高溫?zé)釛l件下，海泡石晶體結(jié)構(gòu)孔道中所含的吸附水易于被去除，形成表面積很大的空穴，從而提高孔容積，增大吸附容量，但熱處理溫度過(guò)高，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，又會(huì)對(duì)海泡石的空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的破壞，反而影響其吸附性能[10-11]，因此，對(duì)海泡石進(jìn)行熱改性時(shí)需控制合理的溫度和處理時(shí)間，在盡量減少破壞其空間結(jié)構(gòu)的前提下提高其吸附能力.

2.4 酸熱聯(lián)合改性對(duì)海泡石吸附性能的影響

2.4.1 改性條件

表正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平選擇

2.4.2 吸附性能

在室溫(20 ℃)條件下，取100 ml活性艷蘭K-3R染液16份，各加入酸熱改性后的海泡石1 g，攪拌均勻，靜置吸附1 h，取上清液進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算，測(cè)得熱改性條件下海泡石對(duì)活性艷蘭K-3R染液的吸附量及正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如表3所示.

從表3正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析可以看出，五個(gè)因素對(duì)海泡石改性效果的影響大小順序依次為：煅燒溫度>鹽酸濃度>酸改性時(shí)間>煅燒時(shí)間>酸改性溫度，其優(yōu)化的改性工藝為鹽酸濃度5 mol/L、酸改性溫度50 ℃、酸改性時(shí)間5 h、熱改性溫度800 ℃、熱改性時(shí)間6 h.

2.5 優(yōu)化改性條件下的吸附性能

在室溫(20 ℃)條件下，取活性艷蘭K-3R染液100 ml，加入在上述最優(yōu)化酸熱改性條件下的改性海泡石粉末1 g，攪拌均勻，靜置吸附1 h，測(cè)得染料殘液的濃度降到35.8 mg/L，即海泡石對(duì)性艷蘭K-3R的吸附量為6.42 mg，吸附性能為6.42 mg/g，吸附效率64.2%，相比初始吸附性能(初始吸附量0.61 mg，吸附性能0.61 mg/g，吸附效率僅6.1%)提高了9.5倍，改善效果顯著.

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)低品位的海泡石原礦采用簡(jiǎn)易低成本的酸熱聯(lián)合改性，其吸附性能相比初始狀態(tài)提高了9.5倍，雖然相比純化改性的海泡石精礦或其他高性能吸附劑還有一定差距，但已可基本用于一些環(huán)境工程的預(yù)(初級(jí))處理環(huán)節(jié)，降低整個(gè)處理工藝的難度，節(jié)約處理成本，提高處理效率.

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ModificationofLowGradeSepioliteandItsEffectonAdsorptionProperties

CHEN Zhen， XIANG Ming-hui， JIANG Peng， LIU Peng

(School of Chemistry & Chemical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

Sepiolite is a kind of clay minerals with excellent performance and strong function. However, the low grade sepiolite ore is abandoned in the mining because of high impurity content, high processing strength and low direct use value. The effect of adsorption properties of three simple modification methods to low grade sepiolite ore is discussed in this paper, and they are acid modification, thermal modification and acid with heat combine modification. The results are shown that the effect of acid with heat combined modification is the best. The adsorption of modified sepiolite to reactive brilliant blue K-3R dye is increased from 0.61 mg/g to 64.2 mg/g, and the adsorption efficiency is increased from 6.1% to 6.42% under the condition of hydrochloric acid concentration 5 mol/L, acid modification temperature of 50℃, acid modification time 5h, calcination temperature of 800℃, calcining time 6 h. And then it can be used for the pretreatment process of environment control.

Sepiolite; modification; adsorption performance; reactive brilliant blue

2017-05-19

2016湖南工程學(xué)院大學(xué)生研創(chuàng)性項(xiàng)目(2016ZK030).

陳 鎮(zhèn)(1981-)，講師，博士生，研究方向：環(huán)境友好型染整技術(shù)及印染廢水處理.

TQ170.9

A

1671-119X(2017)04-0059-05