膨潤土復合吸附劑協同表面活性劑對水中甲基橙的脫色處理

張旭源，莫 偉，莫秋鳳，馬少健，黃 東

（1.廣西大學環境學院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學資源與冶金學院，廣西 南寧 530004）

膨潤土是以蒙脫石為主要成分的粘土巖，資源量大，價格低廉，其因特殊的晶體結構而具有良好的吸水膨脹性、吸附性、粘結性、催化性、觸變性、潤滑性和陽離子交換性等特殊性能，目前已廣泛應用在石油、化工、機械、冶金、鑄造、交通、水利、醫藥、造紙等諸多領域。

利用膨潤土作為水處理材料是近年來的研究熱點，許多學者也預測利用膨潤土作為水處理材料將是今后膨潤土應用領域的一個主要方向。但是，研究和實踐都表明，由于膨潤土的膨脹性、分散性、懸浮性，使得膨潤土遇水易分散漿化，后續的固液分離十分困難，并且容易造成二次污染，這些缺點制約了膨潤土作為廢水處理材料的工業化應用。為了解決上述問題，馬少健等[1]提出了將塑料與膨潤土進行復合制備粒狀膨潤土復合材料的新技術，并獲得了國家授權的發明專利(ZL 200710035221.2)。研究表明，按照該專利技術所制備的粒狀膨潤土復合材料強度高，在水中不易分散粉化，能有效吸附水中的重金屬離子，具有推廣使用價值。

有機廢水是一種重要的工業廢水，尤其是印染有機廢水組分復雜、色度深、水量大、難降解，并常含有害有毒物質，屬于難處理廢水，亟待開發新的處理技術。鑒于前人關于膨潤土處理印染廢水的研究報道[2-7]，證明膨潤土具有處理印染廢水的潛力，但同樣存在粉狀膨潤土在水中沉降慢，固液分離難等問題。因此，本文采用自有專利技術制備出粒狀膨潤土復合吸附劑，以甲基橙模擬廢水為例，探討該復合吸附劑協同表面活性劑處理印染廢水的可行性，從而為其處理印染廢水的工業實踐提供依據。

1 試驗部分

1.1 材料、試劑與儀器

膨潤土原料為廣西寧明膨潤土公司生產的鈣基膨潤土，其主要化學成分(%)：SiO264；Al2O319；Fe2O38.2；MgO 2.5；K2O 2.0；CaO 1.7；Na2O 0.6；Ti 0.5。主要物化性能為：吸藍量23.21g/100g；蒙脫石含量52.51%；陽離子交換容量43.88 mmol/100g；膨脹容23.3mL/g；膠質價96mL/3g；pH值9.0；吸水率317%；含水率11.4%。

塑料原料為廣西東油瀝青有限公司生產的粉狀聚丙烯，其等規指數大于94%，表觀密度大于0.45g/cm3。

試劑為十六烷基三甲基氯化銨CTAC(AR)；甲基橙(AR)。

試驗儀器與設備：擠出機(江蘇某企業生產)；SH-5型捏合改性機(南京思索集團有限公司)；721型分光光度計(上海精密科學儀器有限公司)；HY-4A調速多用振蕩器(江蘇金壇市中大儀器廠)；THZ-82型水浴恒溫振蕩器(江蘇金壇中大儀器廠)；PHS-3C精密酸度計(上海雷磁儀器廠)；FA1004B電子天平(上海越平科學儀器有限公司)，FT-IR Nexus470型傅立葉變換紅外光譜儀(美國NICOLET公司)。

1.2 粒狀膨潤土復合吸附劑的制備

根據現有專利技術，將一定比例的膨潤土與塑料混和料加入捏合機中攪拌均勻后，利用擠出機擠出成型，擠出產品經制粒得到顆粒大小均勻的膨潤土復合吸附劑。

1.3 靜態吸附試驗

取50mL一定濃度的甲基橙溶液置具塞錐形瓶中，加入一定量的膨潤土復合吸附劑及表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨，在一定溫度下以200r/min速度振蕩一定時間后，過濾取清液，用721型分光光度計測定清液的吸光度。粒化膨潤土復合吸附劑協同表面活性劑對甲基橙的脫色率(D)由下式計算而得。

式中：A0、A分別為甲基橙溶液被處理前及處理一定時間后的吸光度。

2 結果與討論

2.1 無粒狀膨潤土復合吸附劑條件下投加表面活性劑對脫色效果的影響

批次取濃度為50mg/L的甲基橙溶液50mL，在不添加粒狀膨潤土復合吸附劑的情況下，加入不同質量的表面活性劑：0.01、0.02、0.03、0.04、0.05g。在室溫下振蕩30min，過濾取清液，測定清液的吸光度A，計算脫色率，結果見圖1。

圖1 表面活性劑投加量對甲基橙溶液脫色率的影響

從圖1可知，隨著表面活性劑用量的增加，甲基橙溶液的脫色率先增大后逐漸減小。可見投加表面活性劑對甲基橙溶液脫色率有一定影響，但效果并不明顯，當表面活性劑投加量為0.01g時，甲基橙溶液的脫色率達到最大，但僅為16%。而且，甲基橙并未能從水溶液中脫除。

2.1 膨潤土復合吸附劑添加量對脫色效果的影響

批次取濃度為50mg/L的甲基橙溶液50mL，分別投加1、2、3、4、5、6g膨潤土復合吸附劑；然后分別加入相同質量的表面活性劑0.01g；在室溫下振蕩30min，過濾取清液，測定清液的吸光度A，計算脫色率，結果如圖2所示。

圖2 膨潤土復合吸附劑用量對甲基橙溶液脫色率的影響

前期試驗研究[8]表明在50mL濃度為50mg/L的甲基橙溶液中投入5g膨潤土復合吸附劑振蕩30min后，溶液的脫色率近乎為0，亦即單獨使用膨潤土復合吸附劑對甲基橙溶液進行吸附處理，由于該膨潤土原土質量不高，處理效果并不理想，因此考慮到利用膨潤土復合吸附劑協同表面活性劑對甲基橙溶液進行處理。從圖2可以看出，當表面活性劑用量一定時，隨著膨潤土復合吸附劑用量的增大，溶液的脫色率先逐漸增大后略有減小，總體上脫色率均達到90%以上，當復合吸附劑用量為5g時，脫色率達到最大，為94.6%。試驗中還可觀察到，當加入表面活性劑稍加振蕩，溶液中很快出現絮凝產物，固液分離時過濾速度快，該絮凝產物隨復合吸附劑從水體中分離出來，且處理過甲基橙的粒化膨潤土復合吸附劑表面呈明顯的黃色。分析可知，溶液中的甲基橙可通過絮凝沉淀、過濾分離的方式從水體中脫除，且復合吸附劑對甲基橙具有一定的物理吸附作用。另外，由于膨潤土原土經粒化處理后其顆粒較大，考慮到試驗樣品的代表性，因此后續試驗中膨潤土復合吸附劑用量取5g。

2.2 振蕩時間對脫色效果的影響

批次取50mg/L的甲基橙溶液50mL，在室溫下，分別加入5g膨潤土復合吸附劑和0.01g表面活性劑。振蕩不同時間后，過濾取清液，測定清液的吸光度A，并計算脫色率，結果見圖3。

圖3 振蕩時間對甲基橙溶液脫色率的影響

如圖3，隨著振蕩時間的延長，溶液的脫色率呈緩慢升高并趨于平緩。當振蕩處理時間為10min時，甲基橙溶液的脫色率達92.7%，可見脫色效率很高；當處理時間為30min后，脫色率基本保持94.8%以上。

2.3 溶液初始pH值對脫色效果的影響

批次取50mg/L的甲基橙溶液50mL，分別配置濃度為0.1mol/L的HCl溶液和濃度為0.1mol/L的NaOH溶液，將待處理甲基橙溶液調節成不同初始pH值，然后分別投加5g膨潤土復合吸附劑和0.01g表面活性劑。室溫下振蕩30min，過濾取清液，測定清液的吸光度A，并計算脫色率，結果見圖4。

圖4 溶液初始pH值對甲基橙脫色率的影響

如圖4所示，隨溶液初始pH值的增大，溶液脫色率呈緩慢下降的趨勢。具體為：當pH值為2～7時，溶液脫色率從96%降至94%，脫色效果總體而言仍較好；當pH大于7以后，脫色率隨pH值的增大而快速下降，脫色效果明顯變差。根據試驗結果及考慮到實際應用，后續試驗中不再對甲基橙溶液的初始pH值進行調節。

2.4 溶液溫度對脫色效果的影響

批次取50mg/L的甲基橙溶液50mL，利用水浴調節成不同水溫，分別投加5g膨潤土復合吸附劑和0.01g表面活性劑，振蕩30min，過濾取清液，測定清液的吸光度A并計算脫色率，結果見圖5。

圖5 溶液溫度對甲基橙脫色率的影響

由圖5可知，當溶液溫度為20～30℃時，其脫色率保持在94%以上。之后，隨著溫度的升高，脫色率以較快地速度下降，當溶液溫度為70℃時，其脫色率降至8%。可見，溶液溫度對脫色效果的影響較大，升高溫度并不利于甲基橙溶液的脫色處理，這對甲基橙工業廢水的實際處理而言反而是一個有利因素，也就是說該類型廢水在常溫下可實現較佳的處理效果，在一定程度上避免了某些工業廢水需要加溫處理導致的成本增加問題。因此，后續試驗仍在室溫下進行。

2.5 溶液初始濃度對脫色效果的影響

批次取濃度為10、20、30、40、50mg/L的甲基橙溶液50mL, 分別投加5g顆粒膨潤土復合吸附劑和0.01g表面活性劑。在室溫下振蕩30min，過濾取清液，測定清液的吸光度A并計算脫色率，結果如圖6所示。

圖6 溶液初始濃度對甲基橙脫色率的影響

從圖6可以看出，在所考察的濃度范圍內，溶液初始濃度對甲基橙脫色效果的影響不大，脫色率基本保持在93.6%～95%之間。可見，在適宜的復合吸附劑和表面活性劑用量條件下，均可實現對甲基橙溶液較佳的處理效果。

2.6 膨潤土復合吸附劑處理甲基橙溶液后的再利用效果

為了考察膨潤土復合吸附劑協同表面活性劑處理酸性靛藍溶液后其能否重復使用，因此，通過水洗將復合吸附劑與前述絮凝產物分離開后，再次用于甲基橙溶液的脫色處理，具體試驗過程如下：批次取濃度為50mg/L的甲基橙溶液50mL，投加5g經多次重復使用的膨潤土復合吸附劑及表面活性劑0.01g，在室溫下振蕩30min，過濾取清液，測定清液的吸光度A。需要說明的是，首次利用的復合吸附劑其重復利用次數標記為0，經第一次脫色處理后再利用的復合吸附劑標記為1，依此類推，共重復利用4次，結果如圖7所示。

圖7 膨潤土復合吸附劑處理甲基橙溶液后的再利用效果

由圖7可知，隨著膨潤土復合吸附劑重復利用次數的增加，其對甲基橙溶液的處理效果逐漸降低，溶液脫色率從其初次利用時的94.6%降低至4次重復利用后的85%。盡管如此，僅從前2次重復利用來看，復合吸附劑使用效果變化不大，甲基橙溶液的脫色率均達到90%以上，之后才降低。由此可見，利用該膨潤土復合吸附劑協同表面活性劑對甲基橙溶液進行脫色處理后，其再生過程簡單，可重復利用至少2次，從而節約了應用成本。

3 結論

(1) 試驗研究表明，膨潤土復合吸附劑協同表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨對甲基橙溶液的最大脫色率為96%，脫色速度快、效率高；試驗條件下甲基橙溶液初始濃度對脫色效果的影響不大，酸性條件更利于甲基橙的脫色處理，溫度對脫色效果的影響較大；膨潤土復合吸附劑經2次重復使用后其協同表面活性劑對甲基橙的脫色效果仍較佳。

(2) 膨潤土復合吸附劑協同表面活性劑對甲基橙溶液的脫色處理過程以絮凝沉淀為主，并存在吸附作用，絮凝產物可通過固液分離方式從水體中脫除，因此該處理方式工業應用前景良好。

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