硅藻土基多孔陶粒的制備及對Cu2+吸附性能研究

朱靈峰等

摘要：以硅藻土為主要原料，添加適量的成孔劑和燒結助劑，采用濕式研磨、滾球成型和高溫煅燒工藝，制備了新型環境材料——硅藻土基多孔陶粒。結合X射線衍射、掃描電鏡、壓汞儀等對材料結構與性能進行了表征。通過紫外分光光度計，考察了硅藻土基多孔陶粒對Cu2+的吸附性能。結果表明，硅藻土基多孔陶粒以石英晶相為主，孔徑集中在 500～3 000 nm，比表面積為6.14 m2/g，孔隙率為 47.8%。硅藻土基多孔陶粒對Cu2+的去除率可以達到 96.5%，吸附過程符合準二級動力學模型。

關鍵詞：硅藻土基多孔陶粒；材料結構；吸附性能；銅離子

中圖分類號： TQ174.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）03-0303-03

硅藻是一種單細胞的藻類，個體很小，一般為1 μm至數毫米。當這種水生植物死亡后，殘骸在海洋或湖泊中沉積，形成硅藻土[1]。硅藻土是一種多孔性、密度小、比表面積大、吸附性好、耐酸、耐堿、絕緣的非金屬礦[2] 。陶粒于1918年由Hyade研制出來[3]，作為一種新型濾料，陶粒具有以容重小、表面積大、孔隙率高、機械強度好、吸附能力強等特點，是由黏土質材料粉碎成粉，或由黏土、粉煤灰摻成孔劑等先做成球再在高溫下（一般為1 000～1 350 ℃）燒結而成的[4]。燒結過程中，原料發生化學反應釋放氣體，產生氣孔或膨脹，冷卻后形成輕質多孔、有一定強度的球形或類球形硅酸鹽產品[5]。陶粒內部多孔，比表面積較大，化學和熱穩定性好，具有較好的吸附性能，易于再生，便于重復利用，陶粒作為一種廉價有效吸附材料而受到人們的重視。

硅藻土作為一種廉價天然礦物，具有50～800 nm的原始孔結構 [6]。以硅藻土為主要原料，相關制備硅藻土基多孔陶瓷已有大量研究[7-9]，而以其為原料制備硅藻土基多孔陶粒，并用于污水中銅離子的吸附性能卻研究很少。硅藻土原始孔結構、骨料顆粒堆積以及成孔劑煅燒后形成的孔隙構成有機整體，可制得不同孔徑、性能優異的多孔陶粒。本研究探討了硅藻土基多孔陶粒的形貌及孔結構，并進一步考察了其對重金屬Cu2+的吸附效果及吸附動力學特征。

1 材料與方法

1.1 材料

選用吉林長白硅藻土粉體為原料，中粒粒徑為8.61 μm，孔徑為50～800 nm，比表面積為20.88 m2/g，主要化學組成的質量分數為SiO2 82.33%、Al2O3 4.58%、Fe2O3 1.57%。成孔劑為碳粉。燒結助劑為高嶺土、石英、長石。分散劑為硅酸鈉。

1.2 樣品制備

將硅藻土、成孔劑、燒結助劑、水和分散劑（質量比84 ∶ 10 ∶ 16 ∶ 2）混合，加入裝有研磨介質（Φ5～8 mm的ZrO2瓷球）的球磨機（KM-1型高效快速研磨機）內研磨30 min，放入烘箱內105 ℃烘干（FN101型烘干箱）、打散（ST-07B型粉碎機）、滾球成型（BY-400荸薺式糖衣機），并于 1 020 ℃ 煅燒2 h（SX2-10-17型箱式電阻爐），制得硅藻土基多孔陶粒。

1.3 樣品表征

用德國 D8 Advance 型 X 射線衍射儀測定樣品的物相組成。用日本 JSM-6490LV 掃描電子顯微鏡觀察所制得陶粒的微觀形貌。用美國Auto Pore IV9500 壓汞儀檢測樣品的孔徑分布。用Archimedes法測定硅藻土基多孔陶粒燒結樣品的孔隙率。

1.4 多孔陶粒對重金屬Cu2+的吸附試驗

配制10 mg/L Cu2+標準溶液，分別吸取20 mL于10個錐形瓶中，調節pH值=6，稱取1.0 g陶粒放入其中，置于搖床中分別振蕩10、30 min和1、2、3、4、6、8、12、24、48 h，搖床溫度30 ℃，轉速140 r/min，取出后用0.45 μm濾膜過濾，然后用UV-1240型紫外分光光度計測量濾液最大波長處的吸光度（銅離子的λmax=546 nm）[9]。根據Lambert-Beer定律，最大波長處的吸光度與濃度有很好的線性關系，即可用吸光度計算對應銅的去除率：

3 結論

以硅藻土為主要原料，碳粉為成孔劑，石英、高嶺土為燒結助劑，制備了硅藻土基多孔陶粒。硅藻土基多孔陶粒以石英晶相為主，材料內孔徑分布較寬，比表面積為6.14 m2/g，孔隙率為 47.8%。硅藻土基多孔陶粒對重金屬有較好的吸附效果，在溫度30 ℃，pH值6，吸附劑量為1 g，Cu2+初始濃度為10 mg/L時，對Cu2+的最佳吸附時間為6 h，最大去除率可達到96.5%。對吸附動力學研究表明，陶粒的吸附過程符合準二級動力學模型。通過對重金屬銅的吸附試驗表明，吸附過程是多方面同時進行的，既有外部液膜擴散、表面吸附，同時也有顆粒內部擴散。

參考文獻：

[1]劉應隆，趙黔今. 硅藻土的特性研究及工業應用[J]. 云南教育學院學報，1998，14（5）：31-39.

[2]蘇雪筠，呂 明，朱小龍. 硅藻土基多孔陶瓷的制備及性能研究[J]. 中國陶瓷，2002，38（4）：1-3.

[3]Walter J W. Potential mechanisms for romoval of humic acids from water by activated carbon[M]//Suffet I H，McGuire M J. Activated carbon adsorption of organics from the aqueous phase：Vol l. Ann Arbor，Mich：Ann Arbor Sci Publishers，1980.

[4]高 仙. 黏土基陶粒的研制及其對重金屬離子的吸附[D]. 太原：太原理工大學，2010.

[5]嚴捍東. 生活污泥改性燒制超輕陶粒的試驗研究[C]. 第二屆全國固體廢棄物處理及綜合利用技術與設備交流研討會論文集，2003：40-49.

[6]朱 健，王 平，羅文連，等. 硅藻土吸附重金屬離子研究現狀及進展[J]. 中南林業科技大學學報，2011，31（7）：183-198.

[7]高如琴，鄭水林，劉 月，等. 硅藻土基多孔陶瓷的制備及其對孔雀石綠的吸附和降解[J]. 硅酸鹽學報，2008，36（1）：22-24.

[8]Zhang X B，Meng G Y，Liu X Q. Sintering kinetics of porous ceramics from natural diatomite[J]. J Am Ceram Soc，2005，88（1）：1826-1830.

[9]Osman 瘙 塁 ，Remzi G，Cem . Purification of diatomite powder by acid leaching for use in fabrication of porous ceramics[J]. Int J Miner Proc，2009，93（1）：6-10.

[10]陳天虎，史曉莉. 水懸浮體系中凹凸棒石與Cu2+作用機理[J]. 高校地質學報，2004，10（3）：385-391.

[11]岳欽艷，解建坤，高寶玉，等. 污泥活性炭對染料的吸附動力學研究[J]. 環境科學學報，2007，27（9）：1431-1438.

[12]鐘倩倩，岳欽艷，李 倩，等. 改性麥草秸稈對活性艷紅的吸附動力學研究[J]. 山東大學學報：工學版，2011，41（1）：133-136.endprint

摘要：以硅藻土為主要原料，添加適量的成孔劑和燒結助劑，采用濕式研磨、滾球成型和高溫煅燒工藝，制備了新型環境材料——硅藻土基多孔陶粒。結合X射線衍射、掃描電鏡、壓汞儀等對材料結構與性能進行了表征。通過紫外分光光度計，考察了硅藻土基多孔陶粒對Cu2+的吸附性能。結果表明，硅藻土基多孔陶粒以石英晶相為主，孔徑集中在 500～3 000 nm，比表面積為6.14 m2/g，孔隙率為 47.8%。硅藻土基多孔陶粒對Cu2+的去除率可以達到 96.5%，吸附過程符合準二級動力學模型。

關鍵詞：硅藻土基多孔陶粒；材料結構；吸附性能；銅離子

中圖分類號： TQ174.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）03-0303-03

硅藻是一種單細胞的藻類，個體很小，一般為1 μm至數毫米。當這種水生植物死亡后，殘骸在海洋或湖泊中沉積，形成硅藻土[1]。硅藻土是一種多孔性、密度小、比表面積大、吸附性好、耐酸、耐堿、絕緣的非金屬礦[2] 。陶粒于1918年由Hyade研制出來[3]，作為一種新型濾料，陶粒具有以容重小、表面積大、孔隙率高、機械強度好、吸附能力強等特點，是由黏土質材料粉碎成粉，或由黏土、粉煤灰摻成孔劑等先做成球再在高溫下（一般為1 000～1 350 ℃）燒結而成的[4]。燒結過程中，原料發生化學反應釋放氣體，產生氣孔或膨脹，冷卻后形成輕質多孔、有一定強度的球形或類球形硅酸鹽產品[5]。陶粒內部多孔，比表面積較大，化學和熱穩定性好，具有較好的吸附性能，易于再生，便于重復利用，陶粒作為一種廉價有效吸附材料而受到人們的重視。

硅藻土作為一種廉價天然礦物，具有50～800 nm的原始孔結構 [6]。以硅藻土為主要原料，相關制備硅藻土基多孔陶瓷已有大量研究[7-9]，而以其為原料制備硅藻土基多孔陶粒，并用于污水中銅離子的吸附性能卻研究很少。硅藻土原始孔結構、骨料顆粒堆積以及成孔劑煅燒后形成的孔隙構成有機整體，可制得不同孔徑、性能優異的多孔陶粒。本研究探討了硅藻土基多孔陶粒的形貌及孔結構，并進一步考察了其對重金屬Cu2+的吸附效果及吸附動力學特征。

1 材料與方法

1.1 材料

選用吉林長白硅藻土粉體為原料，中粒粒徑為8.61 μm，孔徑為50～800 nm，比表面積為20.88 m2/g，主要化學組成的質量分數為SiO2 82.33%、Al2O3 4.58%、Fe2O3 1.57%。成孔劑為碳粉。燒結助劑為高嶺土、石英、長石。分散劑為硅酸鈉。

1.2 樣品制備

將硅藻土、成孔劑、燒結助劑、水和分散劑（質量比84 ∶ 10 ∶ 16 ∶ 2）混合，加入裝有研磨介質（Φ5～8 mm的ZrO2瓷球）的球磨機（KM-1型高效快速研磨機）內研磨30 min，放入烘箱內105 ℃烘干（FN101型烘干箱）、打散（ST-07B型粉碎機）、滾球成型（BY-400荸薺式糖衣機），并于 1 020 ℃ 煅燒2 h（SX2-10-17型箱式電阻爐），制得硅藻土基多孔陶粒。

1.3 樣品表征

用德國 D8 Advance 型 X 射線衍射儀測定樣品的物相組成。用日本 JSM-6490LV 掃描電子顯微鏡觀察所制得陶粒的微觀形貌。用美國Auto Pore IV9500 壓汞儀檢測樣品的孔徑分布。用Archimedes法測定硅藻土基多孔陶粒燒結樣品的孔隙率。

1.4 多孔陶粒對重金屬Cu2+的吸附試驗

配制10 mg/L Cu2+標準溶液，分別吸取20 mL于10個錐形瓶中，調節pH值=6，稱取1.0 g陶粒放入其中，置于搖床中分別振蕩10、30 min和1、2、3、4、6、8、12、24、48 h，搖床溫度30 ℃，轉速140 r/min，取出后用0.45 μm濾膜過濾，然后用UV-1240型紫外分光光度計測量濾液最大波長處的吸光度（銅離子的λmax=546 nm）[9]。根據Lambert-Beer定律，最大波長處的吸光度與濃度有很好的線性關系，即可用吸光度計算對應銅的去除率：

3 結論

以硅藻土為主要原料，碳粉為成孔劑，石英、高嶺土為燒結助劑，制備了硅藻土基多孔陶粒。硅藻土基多孔陶粒以石英晶相為主，材料內孔徑分布較寬，比表面積為6.14 m2/g，孔隙率為 47.8%。硅藻土基多孔陶粒對重金屬有較好的吸附效果，在溫度30 ℃，pH值6，吸附劑量為1 g，Cu2+初始濃度為10 mg/L時，對Cu2+的最佳吸附時間為6 h，最大去除率可達到96.5%。對吸附動力學研究表明，陶粒的吸附過程符合準二級動力學模型。通過對重金屬銅的吸附試驗表明，吸附過程是多方面同時進行的，既有外部液膜擴散、表面吸附，同時也有顆粒內部擴散。

參考文獻：

[1]劉應隆，趙黔今. 硅藻土的特性研究及工業應用[J]. 云南教育學院學報，1998，14（5）：31-39.

[2]蘇雪筠，呂 明，朱小龍. 硅藻土基多孔陶瓷的制備及性能研究[J]. 中國陶瓷，2002，38（4）：1-3.

[3]Walter J W. Potential mechanisms for romoval of humic acids from water by activated carbon[M]//Suffet I H，McGuire M J. Activated carbon adsorption of organics from the aqueous phase：Vol l. Ann Arbor，Mich：Ann Arbor Sci Publishers，1980.

[4]高 仙. 黏土基陶粒的研制及其對重金屬離子的吸附[D]. 太原：太原理工大學，2010.

[5]嚴捍東. 生活污泥改性燒制超輕陶粒的試驗研究[C]. 第二屆全國固體廢棄物處理及綜合利用技術與設備交流研討會論文集，2003：40-49.

[6]朱 健，王 平，羅文連，等. 硅藻土吸附重金屬離子研究現狀及進展[J]. 中南林業科技大學學報，2011，31（7）：183-198.

[7]高如琴，鄭水林，劉 月，等. 硅藻土基多孔陶瓷的制備及其對孔雀石綠的吸附和降解[J]. 硅酸鹽學報，2008，36（1）：22-24.

[8]Zhang X B，Meng G Y，Liu X Q. Sintering kinetics of porous ceramics from natural diatomite[J]. J Am Ceram Soc，2005，88（1）：1826-1830.

[9]Osman 瘙 塁 ，Remzi G，Cem . Purification of diatomite powder by acid leaching for use in fabrication of porous ceramics[J]. Int J Miner Proc，2009，93（1）：6-10.

[10]陳天虎，史曉莉. 水懸浮體系中凹凸棒石與Cu2+作用機理[J]. 高校地質學報，2004，10（3）：385-391.

[11]岳欽艷，解建坤，高寶玉，等. 污泥活性炭對染料的吸附動力學研究[J]. 環境科學學報，2007，27（9）：1431-1438.

[12]鐘倩倩，岳欽艷，李 倩，等. 改性麥草秸稈對活性艷紅的吸附動力學研究[J]. 山東大學學報：工學版，2011，41（1）：133-136.endprint

摘要：以硅藻土為主要原料，添加適量的成孔劑和燒結助劑，采用濕式研磨、滾球成型和高溫煅燒工藝，制備了新型環境材料——硅藻土基多孔陶粒。結合X射線衍射、掃描電鏡、壓汞儀等對材料結構與性能進行了表征。通過紫外分光光度計，考察了硅藻土基多孔陶粒對Cu2+的吸附性能。結果表明，硅藻土基多孔陶粒以石英晶相為主，孔徑集中在 500～3 000 nm，比表面積為6.14 m2/g，孔隙率為 47.8%。硅藻土基多孔陶粒對Cu2+的去除率可以達到 96.5%，吸附過程符合準二級動力學模型。

關鍵詞：硅藻土基多孔陶粒；材料結構；吸附性能；銅離子

中圖分類號： TQ174.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）03-0303-03

硅藻是一種單細胞的藻類，個體很小，一般為1 μm至數毫米。當這種水生植物死亡后，殘骸在海洋或湖泊中沉積，形成硅藻土[1]。硅藻土是一種多孔性、密度小、比表面積大、吸附性好、耐酸、耐堿、絕緣的非金屬礦[2] 。陶粒于1918年由Hyade研制出來[3]，作為一種新型濾料，陶粒具有以容重小、表面積大、孔隙率高、機械強度好、吸附能力強等特點，是由黏土質材料粉碎成粉，或由黏土、粉煤灰摻成孔劑等先做成球再在高溫下（一般為1 000～1 350 ℃）燒結而成的[4]。燒結過程中，原料發生化學反應釋放氣體，產生氣孔或膨脹，冷卻后形成輕質多孔、有一定強度的球形或類球形硅酸鹽產品[5]。陶粒內部多孔，比表面積較大，化學和熱穩定性好，具有較好的吸附性能，易于再生，便于重復利用，陶粒作為一種廉價有效吸附材料而受到人們的重視。

硅藻土作為一種廉價天然礦物，具有50～800 nm的原始孔結構 [6]。以硅藻土為主要原料，相關制備硅藻土基多孔陶瓷已有大量研究[7-9]，而以其為原料制備硅藻土基多孔陶粒，并用于污水中銅離子的吸附性能卻研究很少。硅藻土原始孔結構、骨料顆粒堆積以及成孔劑煅燒后形成的孔隙構成有機整體，可制得不同孔徑、性能優異的多孔陶粒。本研究探討了硅藻土基多孔陶粒的形貌及孔結構，并進一步考察了其對重金屬Cu2+的吸附效果及吸附動力學特征。

1 材料與方法

1.1 材料

選用吉林長白硅藻土粉體為原料，中粒粒徑為8.61 μm，孔徑為50～800 nm，比表面積為20.88 m2/g，主要化學組成的質量分數為SiO2 82.33%、Al2O3 4.58%、Fe2O3 1.57%。成孔劑為碳粉。燒結助劑為高嶺土、石英、長石。分散劑為硅酸鈉。

1.2 樣品制備

將硅藻土、成孔劑、燒結助劑、水和分散劑（質量比84 ∶ 10 ∶ 16 ∶ 2）混合，加入裝有研磨介質（Φ5～8 mm的ZrO2瓷球）的球磨機（KM-1型高效快速研磨機）內研磨30 min，放入烘箱內105 ℃烘干（FN101型烘干箱）、打散（ST-07B型粉碎機）、滾球成型（BY-400荸薺式糖衣機），并于 1 020 ℃ 煅燒2 h（SX2-10-17型箱式電阻爐），制得硅藻土基多孔陶粒。

1.3 樣品表征

用德國 D8 Advance 型 X 射線衍射儀測定樣品的物相組成。用日本 JSM-6490LV 掃描電子顯微鏡觀察所制得陶粒的微觀形貌。用美國Auto Pore IV9500 壓汞儀檢測樣品的孔徑分布。用Archimedes法測定硅藻土基多孔陶粒燒結樣品的孔隙率。

1.4 多孔陶粒對重金屬Cu2+的吸附試驗

配制10 mg/L Cu2+標準溶液，分別吸取20 mL于10個錐形瓶中，調節pH值=6，稱取1.0 g陶粒放入其中，置于搖床中分別振蕩10、30 min和1、2、3、4、6、8、12、24、48 h，搖床溫度30 ℃，轉速140 r/min，取出后用0.45 μm濾膜過濾，然后用UV-1240型紫外分光光度計測量濾液最大波長處的吸光度（銅離子的λmax=546 nm）[9]。根據Lambert-Beer定律，最大波長處的吸光度與濃度有很好的線性關系，即可用吸光度計算對應銅的去除率：

3 結論

以硅藻土為主要原料，碳粉為成孔劑，石英、高嶺土為燒結助劑，制備了硅藻土基多孔陶粒。硅藻土基多孔陶粒以石英晶相為主，材料內孔徑分布較寬，比表面積為6.14 m2/g，孔隙率為 47.8%。硅藻土基多孔陶粒對重金屬有較好的吸附效果，在溫度30 ℃，pH值6，吸附劑量為1 g，Cu2+初始濃度為10 mg/L時，對Cu2+的最佳吸附時間為6 h，最大去除率可達到96.5%。對吸附動力學研究表明，陶粒的吸附過程符合準二級動力學模型。通過對重金屬銅的吸附試驗表明，吸附過程是多方面同時進行的，既有外部液膜擴散、表面吸附，同時也有顆粒內部擴散。

參考文獻：

[1]劉應隆，趙黔今. 硅藻土的特性研究及工業應用[J]. 云南教育學院學報，1998，14（5）：31-39.

[2]蘇雪筠，呂 明，朱小龍. 硅藻土基多孔陶瓷的制備及性能研究[J]. 中國陶瓷，2002，38（4）：1-3.

[3]Walter J W. Potential mechanisms for romoval of humic acids from water by activated carbon[M]//Suffet I H，McGuire M J. Activated carbon adsorption of organics from the aqueous phase：Vol l. Ann Arbor，Mich：Ann Arbor Sci Publishers，1980.

[4]高 仙. 黏土基陶粒的研制及其對重金屬離子的吸附[D]. 太原：太原理工大學，2010.

[5]嚴捍東. 生活污泥改性燒制超輕陶粒的試驗研究[C]. 第二屆全國固體廢棄物處理及綜合利用技術與設備交流研討會論文集，2003：40-49.

[6]朱 健，王 平，羅文連，等. 硅藻土吸附重金屬離子研究現狀及進展[J]. 中南林業科技大學學報，2011，31（7）：183-198.

[7]高如琴，鄭水林，劉 月，等. 硅藻土基多孔陶瓷的制備及其對孔雀石綠的吸附和降解[J]. 硅酸鹽學報，2008，36（1）：22-24.

[8]Zhang X B，Meng G Y，Liu X Q. Sintering kinetics of porous ceramics from natural diatomite[J]. J Am Ceram Soc，2005，88（1）：1826-1830.

[9]Osman 瘙 塁 ，Remzi G，Cem . Purification of diatomite powder by acid leaching for use in fabrication of porous ceramics[J]. Int J Miner Proc，2009，93（1）：6-10.

[10]陳天虎，史曉莉. 水懸浮體系中凹凸棒石與Cu2+作用機理[J]. 高校地質學報，2004，10（3）：385-391.

[11]岳欽艷，解建坤，高寶玉，等. 污泥活性炭對染料的吸附動力學研究[J]. 環境科學學報，2007，27（9）：1431-1438.

[12]鐘倩倩，岳欽艷，李 倩，等. 改性麥草秸稈對活性艷紅的吸附動力學研究[J]. 山東大學學報：工學版，2011，41（1）：133-136.endprint