新疆膨潤(rùn)土的改性及其對(duì)植物切片廢液的處理*

吳 瑛，呂 悅

(1 新疆兵團(tuán)南疆化工資源利用工程實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300；2 塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

植物切片實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生大量染色廢液，其主要成分是酒精約占90%以上，番紅、固綠和二甲苯等其他物質(zhì)大約10%，廢液顏色較深且有毒害，造成無法再使用和環(huán)境污染。膨潤(rùn)土是具有特殊二維層裝結(jié)構(gòu)的天然納米材料，有大的表面比表面積和高陽(yáng)離子交換容量作用、孔道過濾作用及納米結(jié)構(gòu)效應(yīng)等特性，作為低成本吸附劑用于水處理中具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。但是由于膨潤(rùn)土表面極強(qiáng)親水性和層間陽(yáng)離子的水解，使得膨潤(rùn)土對(duì)有機(jī)物吸附性能較差[4]，采用表面活性劑改性能使膨潤(rùn)土變?yōu)橛H有機(jī)性，提高對(duì)水中有機(jī)污染的吸附[5-6]。目前已經(jīng)報(bào)到了多種水體有機(jī)污染物采用膨潤(rùn)土的處理[7-9]，但是對(duì)于切片污水處理尚未見報(bào)道。采用廉價(jià)的膨潤(rùn)土對(duì)實(shí)驗(yàn)室植物切片廢水進(jìn)行處理，通過無機(jī)-有機(jī)改性提高染料的去除率。探討了吸附材料制備和影響染料去除率的影響因素，以期能為膨潤(rùn)土在污水處理方面做些基礎(chǔ)研究，同時(shí)達(dá)到節(jié)約資源和廢物回收使用的目的。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

膨潤(rùn)土(購(gòu)于新疆農(nóng)十師夏子街)，切片廢液來自塔里木盆地資源保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)植物學(xué)研究室。

1.2 膨潤(rùn)土的鈉化

膨潤(rùn)土研細(xì)過100目，蒸餾水與膨潤(rùn)土3:1的比例浸泡24 h，攪拌制成漿體，靜置，去除上清液與下沉淀，選擇中間漿液，抽濾，80 ℃干燥后，過200目。將 5 g 膨潤(rùn)土分散到500 mL的10%的Na2CO3溶液中調(diào)節(jié)pH值為9，攪拌 3 h，離心分離，用95%乙醇洗滌直至無泡沫，60 ℃干燥，研磨過200目篩，得到鈉化膨潤(rùn)土。

1.3 有機(jī)膨潤(rùn)土的制備

取1.6 g CTAB溶于裝有400 mL蒸餾水的燒杯中，燒杯置于加熱磁力攪拌器上，60 ℃恒溫，連續(xù)攪拌3 h使CTAB充分溶于蒸餾水中。將4 g鈉基膨潤(rùn)土緩緩倒入上述溶液，仍保持溶液溫度60 ℃，連續(xù)攪拌3 h。將獲得混合液取出冷卻靜置沉淀30 min，令固液充分分離，小心去除其上清液與泡沫。離心后，蒸餾水反復(fù)淋洗，AgNO3溶液檢測(cè)濾液中無溴離子存在，60 ℃烘干，研磨過200目篩。

1.4 植物切片廢液吸附實(shí)驗(yàn)

將膨潤(rùn)土(改性膨潤(rùn)土)于錐形瓶中，加入25 mL切片廢液。放入搖床，在不同溫度、時(shí)間和加入量等條件下進(jìn)行吸附，達(dá)平衡后，離心取上清液，測(cè)定最大吸收波長(zhǎng)處吸光度(番紅549 nm，固綠618 nm)，根據(jù)公式(1)計(jì)算吸附率：

(1)

式中：A0為初始吸光度，Ax為吸附平衡后的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨潤(rùn)土形貌分析

從圖1可以看到，當(dāng)膨潤(rùn)土中引入 CTAB 后，鈉膨潤(rùn)土的表面由光滑、緊密、層狀明顯，而經(jīng)過CTAB改性后表面變的粗糙、松泡細(xì)軟，空隙增加，片層出現(xiàn)距離增加，表面積加大，有利于其更好地吸附有機(jī)物[10]。

圖1 改性前后膨潤(rùn)土SEMFig.1 SEM photos of Na-bentonites and CTAB-bentonites

2.2 吸附性能

2.2.1 混合膨潤(rùn)土的比例對(duì)吸附的影響

由表1得到在膨潤(rùn)土與CTAB-Bent的混合比例中1:2的去除率最佳，相較于單一的兩種材料，兩者的混合可以優(yōu)化對(duì)廢液的去除率。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中以1:2比例混合而成的材料對(duì)廢液的去除率性能最佳，比例為2:1時(shí)混合膨潤(rùn)土的去除率較其他比例更低，大多數(shù)的CTAB-Bent沒有發(fā)揮其吸附作用，使材料大量浪費(fèi)。

表1 膨潤(rùn)土與CTAB-Bent不同比例條件下的吸附率Table 1 Removal rate of bentonite and CTAB-Bent at different ratios

2.2.2 投加量對(duì)吸附影響

膨潤(rùn)土對(duì)固綠染液不吸附，但對(duì)番紅染液去除率在最佳投加量1.0 g時(shí)可以達(dá)到80.46%，隨著膨潤(rùn)土投加量由1 g到1.4 g，對(duì)廢液中番紅的去除率幾乎不變，即說明吸附達(dá)到平衡。混合膨潤(rùn)土不僅可以去除番紅，同時(shí)也可以去除固綠，去除率隨著吸附劑加入量的增大而增大，在加入量為0.8 g時(shí)達(dá)到最佳吸附效果，對(duì)番紅的去除率可以達(dá)到92.58%，對(duì)固綠的去除率可以達(dá)到80.46%。兩者對(duì)比就可以發(fā)現(xiàn)改性后膨潤(rùn)土與原膨潤(rùn)土混合后形成的混合膨潤(rùn)土的材料對(duì)于染料的去除率明顯要大于膨潤(rùn)土，見圖2。

圖2 材料的不同加入量對(duì)染料去除的影響Fig.2 Effect of addition amount on adsorption capacity of bentonite and mixed bentonite

2.2.3 吸附溫度的影響

不同溫度實(shí)驗(yàn)中，圖3表明了溫度在40 ℃時(shí)膨潤(rùn)土對(duì)番紅染液的去除率達(dá)到81.88%，混合膨潤(rùn)土對(duì)番紅染液的去除率達(dá)到94.53%，對(duì)固綠染液的去除率達(dá)到87.39%。雖然增加溫度對(duì)吸附量有一定的促進(jìn)作用，但是作用效果微乎其微，在溫度超過40 ℃后，還會(huì)影響吸附效果，去除率大量下降。

圖3 溫度對(duì)膨潤(rùn)土改性膨潤(rùn)土的影響Fig.3 Effect of temperature on bentonite and mixed bentonite

未改性時(shí)，膨潤(rùn)土本身存在表面吸附作用以及離子交換作用，在對(duì)切片廢液的處理實(shí)驗(yàn)中，吸附廢液中的番紅染料大部分是因?yàn)榕驖?rùn)土的表面吸附作用，但是膨潤(rùn)土無法對(duì)染料廢液中的固綠染液進(jìn)行吸附去除，是由于固綠是酸性染料，需要對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改性，使膨潤(rùn)土的離子交換能力增強(qiáng)。經(jīng)過活性表面劑CTAB改性后的膨潤(rùn)土，能夠吸附固綠染料，這證明CTAB成功插入膨潤(rùn)土的層間內(nèi)部，導(dǎo)致膨潤(rùn)土層間距增大，有更大的吸附比表面積以及吸附點(diǎn)[12-13]，使得它的吸附范圍變廣，吸附性能變強(qiáng)，對(duì)廢液中陰、陽(yáng)離子染料的去除率也繼而增大。

2.2.4 吸附時(shí)間的影響

時(shí)間對(duì)膨潤(rùn)土和混合膨潤(rùn)土對(duì)染料去除率的影響，從圖4中可以看到，接觸時(shí)間在10～80 min之間，廢液中染料的去除率隨著接觸時(shí)間的增加而增加，這是由于在短時(shí)間內(nèi)，膨潤(rùn)土與混合膨潤(rùn)土本身的吸附容量沒有達(dá)到飽和。因此去除率隨著吸附時(shí)間的增加而增加，但隨著時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，去除率的增長(zhǎng)變得緩慢，在80 min時(shí)，膨潤(rùn)土與混合膨潤(rùn)土都達(dá)到平衡，此時(shí)膨潤(rùn)土對(duì)番紅染料的去除率為80.47%，混合膨潤(rùn)土對(duì)番紅染液的去除率為93.62%，對(duì)固綠染液的去除率為85.67%。但超過80 min后，去除率只有微小變化，即吸附劑達(dá)到了飽和狀態(tài)。因此，根據(jù)圖6中顯示的結(jié)果可以確定，膨潤(rùn)土與混合膨潤(rùn)土的去除廢液平衡時(shí)間為80 min。

圖4 時(shí)間對(duì)膨潤(rùn)土與混合膨潤(rùn)土的影響Fig.4 Effect of time on bentonite and mixed bentonite

3 結(jié) 論

(1)研究表明，膨潤(rùn)土不能吸附酸性染料固綠廢液，無法去除廢液中固綠的成分，但是膨潤(rùn)土在加入量1.0 g/25 mL，吸附時(shí)間為80 min的條件下對(duì)廢液中番紅染料的吸附力很強(qiáng)，去除率達(dá)到了81.88%，能夠去除廢液中番紅的成分。溫度對(duì)膨潤(rùn)土的去除率影響較小，為了節(jié)省能源，可以在30 ℃下處理廢水。

(2)通過CTAB對(duì)自制鈉基膨潤(rùn)土改性后，能使材料獲得吸附固綠染液的能力，但同時(shí)對(duì)番紅染液的去除率相應(yīng)下降，將CTAB-Bent與膨潤(rùn)土以2:1的比例混合后，可使在投加量在0.8 g/25 mL，吸附時(shí)間80 min時(shí)對(duì)番紅染料廢液去除率達(dá)到90%以上，對(duì)固綠的去除率在80%左右。處理過的廢液顏色近乎透明，肉眼觀察不到有顏色存在，證明該方法可以用于番紅-固綠染料廢液的回收處理。

(3)相比膨潤(rùn)土對(duì)廢液的去除率，混合膨潤(rùn)土不僅在番紅的去除率上超過膨潤(rùn)土，同時(shí)也解決了對(duì)固綠的處理問題，可以直接對(duì)染料廢液進(jìn)行處理，節(jié)約成本。