改性凹凸棒石粘土吸附性能对比实验研究

改性凹凸棒石粘土吸附性能对比实验研究合肥工业大学资源与环境科学系(安徽合肥,230009) 陈天虎 [摘要]选用有代表性的染料和酚两类性质不同的污染物质为吸附质,凹凸棒石粘土和各种方法改性的凹凸棒石粘土为吸附剂进行了吸附对比实验研究。

实验发现用1M磷酸改性能大幅度提高凹凸棒石粘土对染料和酚等污染物的吸附能力。

并且认为凹凸棒石粘土的吸附属于外表面吸附—胶体和离子交换吸附,改性作用提高凹凸棒石粘土吸附性能的机理是改性加工改变了凹凸棒石粘土中粘土颗粒的结构电荷和表面电荷及吸附活性。

[关键词]凹凸棒石粘土;吸附;废水;染料;酚 [中图分类号]TQ424124　[文献标识码]A　[文章编号]1005-829X(2000)04-0027-03Experimental study by contra st on the adsorbing capability ofmodified palygorskite clayCHEN Tian2hu(Depart ment of Resources and Envi ronment Hef ei U niversity of Technology,Hef ei230009,Chi na) Abstract:The adsorbing capability of dye and hydroxybenzene is compared by palygorskite clay and various mod2 ified palygorskite clay.It is found that adsorbing capability of dye and hydroxybenzene may be improved largely by palygorskite clay which is modified with1M phosphoric acid.it is thought that the adsorption of palygorskite clay is outer2surface adsorption2colloid and ion exchange adsorpsion.the mechanism of the modification which improves the adsorbing capacity of palygorskite clay is that the structural electric charge and surface electric charge of the clay granules in palygorskite and adsorbing activity are modified.Key words:palygorskite clay;adsorption;wastewater;dye;phenol 凹凸棒石是含水富镁硅酸盐粘土矿物。

它具有独特的层链状晶体结构和十分细小(约0101μm×1μm)的棒状、纤维状晶体形态。

因而,在许多方面表现出优异的吸附性能,因此用途十分广泛。

我国自80年代初发现以安徽省明光市、来安县,江苏省盱眙县、六合县为主要矿区的苏皖凹凸棒石粘土矿带以来,对凹凸粘土本身的矿物学特性及开发应用进行了大量研究,取得了丰富的成果〔1～17〕。

特别是凹凸棒石粘土作为天然廉价吸附剂在环境保护中的应用开展了大量研究〔9～19〕。

但是对凹凸棒石粘土处理废水方面的研究仍然是初步的,尚有大量的工作要做。

笔者就不同方法改性的凹凸棒石粘土和天然原土对染料、酚及印染废水的吸附进行了初步的对比实验研究,为凹凸棒石粘土的开发及其在废水处理中的应用提供参考。

1　实验材料和实验方法111　实验材料 凹凸棒石粘土取自安徽明光市官山乡凹凸棒石粘土矿,印染废水取自安徽印染厂印染污水处理厂活性污泥法处理的出水,各种染料取自安徽印染厂和安徽丝稠厂,为工业级,其余药剂均为分析纯。

112　凹凸棒石粘土改性方法 凹凸棒石粘土用各种不同的方法进行改性,编号如下:No.1—天然原土(不改性);No.2—340℃焙烧1h;No.3—1/3M磷酸改性,固液比1∶20,常温浸泡12h,抽滤洗涤至p H值接近7,105～110℃烘干,研磨备用;No.4—2/3M磷酸改性,方法步骤同No.3;No.5—1M磷酸改性,方法步骤同No.3; No.6—1M硫酸改性,方法步骤同No.3;No.7—碳酸钠改性,在凹凸棒石粘土中加入5%的碳酸钠,方法步骤同No.3。

113　吸附实验方法 实验在烧杯中进行,首先在烧杯中加入200mL 印染废水或配制好的已知浓度的染料溶液或酚溶液,然后在烧杯中加入一定量的凹凸棒石粘土吸附剂,搅拌吸附30min,再加入10%聚合氯化铝三滴,搅拌5min,静置沉淀1h,最后取上清液测试吸附平衡浓度。

用单一染料配制的溶液初始浓度和平衡浓度测试用分光光度法,酚的测试用溴化钾—溴酸钾法,印染废水COD测试用重铬酸钾法。

2　实验结果与讨论 凹凸棒石粘土和改性凹凸棒石粘土吸附染料及—72—2000年4月第20卷第4期 工业水处理Industrial Water TreatmentApr.,2000Vol.20No.4酚类物质的实验结果见表1。

从表1可以看出,各种方法改性的凹凸棒石粘土对染料和酚类物质的吸附去除率与原土相比都有较大程度的提高,其中以1M 磷酸改性(No.5)活化效果最好。

各种方法改性凹凸棒石粘土及原土对染料的吸附去除能力较大,改性凹凸棒石粘土吸附去除率比表1　凹凸棒石粘土原土和改性凹凸棒石粘土吸附染料及酚类物质的实验结果吸附质吸附剂编号No.1No.2No.3No.4No.5No.6No.7GS 大红Ce /mg ・L -1361715151812191111141218N /%6313841582878819851881BO 艳蓝Ce /mg ・L -1251314112116141210171431N /%741785197814851889138669VB 还原深蓝Ce /mg ・L -12917231822111610121318112614N /%7013761277198410871781197316SEG L 分散红Ce /mg ・L -13710201418101513111211172314N /%6310791682108417881888137616K —2GN 活性红Ce /mg ・L -13212221319151411111017122316N /%6718771780158519891082187614印染废水Ce /mg ・L -1571433122341117139141414191616N /%51107116570198512871787138518对苯二酚Ce /mg ・L -16910611257144917381353166510N /%1413231828153811521433131910甲　酚Ce /mg ・L -19810901776126117501879199414N /%15162119341446195613311251817苯　酚Ce /mg ・L -19516801461125714491761128412N /%714221240174415511940171815注:①吸附染料实验溶液初始浓度为100mg/L ,吸附剂加量0125%;②印染废水实验初始COD 117mg/L ,吸附剂加量015%;③吸附对苯二酚、甲酚、苯酚实验溶液初始浓度分别为80135mg/L 、11612mg/L 、10312mg/L ,吸附剂加量015%;④Ce 为吸附平衡浓度,N 为吸附去除率。

原土提高约20%～50%,各种方法改性凹凸棒石粘土及原土对酚的吸附去除能力较小,但改性凹凸棒石粘土吸附酚去除率比原土有大幅度提高,从原土的714%到1M 磷酸改性的5613%,提高了约近8倍。

这说明由于染料和酚类物质在溶液中的性质不同,凹凸棒石粘土对它们的吸附去除能力有很大的差别,而且凹凸棒石粘土改性对不同的吸附质有明显不同的效果。

通过原土和不同方法改性粘土吸附对比实验研究首次发现1M 磷酸改性凹凸棒石粘土对染料和酚类物质吸附效果最好。

3　吸附机理 凹凸棒石晶体结构研究证实其基本构造单元是由平行于C 轴的硅氧四面体双链组成,各个链间通过氧原子连结,硅氧四面体的自由氧原子的指向(即硅氧四面体的角顶)每四个一组,上下交替地排列。

这样的结果形成了链层单元和孔道相间排列,孔道的截面大约为318!×613!。

因而,凹凸棒石的孔道从截面上看是蜂窝状的,不是通常认为凹凸棒石是针状棒形态、管状孔道那样简单〔3〕,而是无数平行管状孔道的组合。

由于凹凸棒石具有大量的微孔道,因而也就具有很大的比表面积。

很多学者据此认为凹凸棒石的吸附是其孔道内表面吸附,把其吸附能力归因于凹凸棒石具有很大的内表面积。

然而凹凸棒石吸附性质受到其晶体结构的制约。

这主要表现为,作为能被凹凸棒石吸附的物质其分子直径必须小于凹凸棒石的孔道直径,否则的话,吸附质无法进入孔道,也就不可能被凹凸棒石孔道内表面吸附。

因而,当解释凹凸棒石吸附剂作用机理时,必须考察吸附质的分子或离子直径。

由于染料和酚类物质的分子直径大于凹凸棒石的孔道直径,不能进入其孔道,因而,对它们的吸附必然属于外表面吸附,并且属于胶体吸附和离子交换吸附。

原因是凹凸棒—82—试验研究 工业水处理2000—04,20(4)石带有结构电荷和表面电荷。

凹凸棒石晶体的理论化学式为:Mg5Si8O20 (OH)2(OH2)4・4H2O。

其中的Si4+可以少量被Fe3+、Al3+离子替代,Mg2+可以少量被Fe2+、Fe3+、Al3+离子替代。

各种离子替代的综合结果是凹凸棒石常常带有少量的负电荷,此种电荷属于结构电荷。

凹凸棒石表面电荷是由表面的Si—O键和Al—O 键发生水解破裂产生的。

破键水解产生的R—OH 上的羟基(—OH)具有两性,既能作为酸,也能作为碱,它们可以按以下形式进一步与H+或OH-作用: R—OH+H+R—OH2+ R—OH+OH-R—O-+H2O 这些表面反应使凹凸棒石表面带电荷。

表面电荷可以是正电荷,也可以是负电荷,主要取决于矿物结构、电解质浓度、溶液p H值。

改性作用主要使凹凸棒石在水溶液中的结构电荷和表面电荷发生改变,从而改变凹凸棒石胶体的带电性和吸附活性。

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