凹凸棒石燒結硅藻土多孔陶器及吸附亞甲基藍性能

匡 猛,王 平,羅秋云,韋仲華,韋宇洪,彭 虎,謝 亮

(1.江西理工大學材料科學與工程學院,贛州 341000；2.桂林新竹大自然生物材料有限公司,桂林 541004)

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凹凸棒石燒結硅藻土多孔陶器及吸附亞甲基藍性能

匡 猛1,王 平1,羅秋云1,韋仲華2,韋宇洪2,彭 虎1,謝 亮1

(1.江西理工大學材料科學與工程學院,贛州 341000；2.桂林新竹大自然生物材料有限公司,桂林 541004)

以硅藻土和凹凸棒石粘土為原料,燒結硅藻土/凹凸棒石多孔陶器。采用X射線衍射分析 (XRD) 和掃描電鏡 (SEM) 等手段對樣品進行表征,并從吸附亞甲基藍性能評估材料對印染廢水的吸附性能。結果表明：硅藻土和凹凸棒石粘土質量比為20∶80,850 ℃燒結得到樣品保留有硅藻土多孔構造,凹凸棒石相轉變為頑火輝石相；樣品吸水率為41.12%,抗折強度為2.76 MPa以及收縮率為4.95%。對亞甲基藍溶液吸附實驗表明：樣品對亞甲基藍溶液有較好吸附效果,吸附量為3.634 mg/g。

硅藻土； 凹凸棒石； 多孔陶器； 亞甲基藍

1 引 言

染料多為含多聚芳香環和偶氮鍵有機物,難降解并具有潛在毒性,屬于難處理廢水[1]。目前,處理染料廢水主要有生物法、化學法和物理吸附法,其中物理吸附工藝簡單,成本低廉,日漸成為熱點[2]。物理吸附常用活性炭[3]、沸石[4]、膨潤土[5]和埃洛石[6]等,但尋找廉價吸附劑仍是關鍵[7]。硅藻土是生物成因硅質沉積巖,具有質輕多孔、比表面大和化學性質穩定等特點,且資源豐富,極具應用潛力[8]；但硅藻土呈粉體狀,易流失和堵塞反應器,故常與粘土燒結成多孔陶瓷,且燒結溫度一般在1000 ℃以上[9,10]；但燒結溫度超過1000 ℃,硅藻土多孔構造易坍塌和比表面降低[11]。凹凸棒石粘土 (凹土) 是鏈層狀富鎂鋁硅酸鹽礦物,其成陶溫度約800 ℃[12],常被用作處理廢水的多孔陶器而加以利用[13]。亞甲基藍溶液 (MB) 是應用廣泛的染料,易被固體吸附,常用作研究染料污水吸附對象[7]。本實驗以硅藻土和凹土為原料,燒結硅藻土/凹凸棒石多孔陶器,研究其對MB吸附性能。

2 實 驗

2.1 樣品制備

實驗用硅藻土來自吉林長白地區,經水法分散-干法分級后粉體d50=19.35 μm,比表面18 m2·g-1,SiO2含量85.14% (wt%,下同)；主要雜質4.31% Al2O3,0.98% K2O,0.54% Na2O,1.98% Fe2O3。凹土來自江蘇盱眙,呈灰白色,SiO2含量61.57%,主要雜質9.24% Al2O3,5.38% Fe2O3,2.48%CaO,9.45% MgO。

硅藻土與凹土分別以質量比50∶50、40∶60、30∶70、20∶80、10∶90混合,球磨；按質量比1∶5的水料比加水,攪拌機攪拌2 h后陳化72 h,脫水至泥料含水率居于可塑范圍內,制成標準樣條 (10 cm×1 cm×1 cm),干燥,依照參考文獻[12]凹凸棒石成陶溫度,分別于800 ℃、850 ℃、900 ℃燒結2 h。

2.2 測試表征

樣品抗折強度按GB/T 6569-2006測定；吸附MB按GB/T 12496. 10-1999測定。

樣品X射線衍射表征用德國Bruker D8-F℃us型X射線衍射儀完成,Cu Kα射線,管電壓40 kV,管電流100 mA,掃描速率4 °·min-1,掃描范圍2θ=10°～50°。

樣品微觀形貌表征用日本日立S-3400型掃描電鏡完成。

3 結果與討論

3.1 燒結性能

圖1是800 ℃、850 ℃和900 ℃燒結得到樣品吸水率、收縮率和抗折強度隨硅藻土含量變化曲線。如圖所示,不同溫度燒結得到樣品隨硅藻土含量減少,吸水率均逐漸下降但收縮率和抗折強度卻穩步上升,且隨溫度升高而變化明顯。另外,硅藻土含量為20%～30%,樣品吸水率均出現平臺,而且含量為30%時樣品有輕微掉粉現象,為提高材料機械強度,故確定硅藻土和凹土比例為20∶80。

硅藻土具有遍布多孔結構的硅藻骨骼構造,故能吸附大量水分[8]；隨著硅藻土含量減少,樣品吸水率降低。燒結溫度超過800 ℃,凹凸棒石結構被破壞并生成高溫礦物[12],硅藻土表面亦出現熔融[11],有利于燒結,故收縮率和抗折強度均有所增加,但是樣品機械強度依然稍低,樣品表面有輕微掉粉；同時,硅藻土作為瘠性原料,在燒結過程中抑制凹凸棒石之間的粘結和物質傳遞過程；故隨硅藻土含量減少,樣品燒結程度變好,結構更加完善,所以收縮率和抗折強度均有不同程度增強。如圖 (a)、(b) 和 (c),相同比例樣品在不同溫度燒結時,抗折強度變化率很小,但吸水率下降明顯。

3.2 吸附MB性能分析

MB是應用廣泛的染料,易被固體吸附,常被用作研究印染污水吸附對象[7]。按照GB/T 12496.10-1999測試樣品吸附MB性能 (CMB=10 mg/L,pH=7)。結果如圖2所示：

如圖,不同溫度燒結樣品對MB吸附量均隨硅藻土含量增加而增大直至飽和,且燒結溫度越高,吸附量越小。硅藻土具有多孔構造,因而能較有效吸附MB[14],故樣品中硅藻土含量增加而吸附量亦增加,直至樣品孔隙率達到飽和,吸附量也趨近穩定,這與樣品燒結性能相映照。燒結溫度超過800 ℃,硅藻土比表面積隨燒結溫度升高而降低[11],故樣品于800 ℃燒結時,對MB吸附量最高。綜合燒結性能和吸附MB性能分析,本實驗確定實驗條件850 ℃燒結2 h (硅藻土∶凹土=20∶80)。

圖1 樣品燒結性能Fig.1 The sintering properties of samples

圖2 樣品吸附MB性能Fig.2 Adsorption MB capacity of sample

圖3 不同煅燒溫度下樣品XRD譜圖Fig.3 XRD patterns of samples calcined under different temperature

3.3 顯微結構分析

圖3 是不同溫度燒結樣品 (硅藻土∶凹土=20∶80) XRD圖。如圖,未燒結樣品以石英和凹凸棒石為主；經800～850 ℃燒結,凹凸棒石特征衍射峰逐漸變弱直至徹底消失,并開始出現高溫礦物-頑火輝石,表明結構整體有序性消失,凹凸棒石晶格結構完全破壞重組,這與陳天虎等[12],研究結果相似。經900 ℃燒結,頑火輝石 (610) 特征衍射峰明顯增強,表明燒結程度變好,晶粒長大,結構更加完美。凹凸棒石轉變為頑火輝石和石英,反應方程如 (1) 式：

Mg5Si8O20(OH)2→5MgSiO3+3SiO2+H2O

(1)

凹凸棒石向頑火輝石轉變過程中,硅氧四面體鏈發生斷裂,生成石英并游離于晶格之外,生成的水分蒸發消失；另外,一部分Mg2+與非橋氧鍵合成Mg-O,另一部分Mg2+與橋氧鍵合成頑火輝石Mg2[Si2O6]；在此期間鎂硅比由2∶3 變成2∶2。

圖4是850 ℃燒結樣品 (80%凹土+20%硅藻土) SEM圖片。如圖a～c可見,硅藻土顆粒被凹土包覆,樣品內出現明顯燒結現象；硅藻土多孔結構發生細微變化,硅藻骨骼邊緣融化變形,圓篩藻表面開始熔融,這與鄭水林等[11],研究結果相似；如圖,圓篩藻周圍出現一定量玻璃相,但硅藻骨骼仍保留有較為完整多孔構造,從而具有較強吸附性能,成功解釋材料高吸水率的現象。

圖4 850 ℃燒結樣品SEM照片Fig.4 SEM images of sample sintering at 850 ℃

4 結 論

(1) 硅藻土∶凹土的質量比為20∶80,燒結溫度為850 ℃時,制備出硅藻土/凹凸棒石多孔陶器吸水率為 41.12%,抗折強度為2.76 MPa和收縮率為4.95%；對MB有較好吸附效果,吸附量為3.634 mg/g;

(2) 800 ℃燒結時,凹凸棒石結構被破壞并生成高溫礦物-頑火輝石,有助于促進燒結過程。

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Preparation of Diatomite/Palygorskite Porous Ceramics and Performances of Adsorption Methylene Blue

KUANGMeng1,WANGPing1,LUOQiu-yun1,WEIZhong-hua2,WEIYu-hong2,PENGHu1,XIEliang1

(1.School of Material and Chemical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China;2.Guilin Xinzhu Natural Functional Material Co. Ltd.,Guilin 541004,China)

Diatomite and palygorskite porous ceramics were prepared from diatomite and palygorskite by sintering method. The structures and micrographs of specimens were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The ability of adsorption dye wastewater was measured by adsorptions of methylene blue from aqueous solution. The results of experiment show that diatomite/palygorskite porous ceramics was prepared from diatomite and palygorskite of mass ratio was 20∶80 and sintered at 850 ℃ has optimal performance, it water adsorption was 41.12%, flexural strength was 2.76 MPa and shrink rate was 4.95%. Some porous structure of diatomite were retained, the phase of enstatite has been transformed from palygorskite. The phenomenons of adsorption experiment show that sample had better adsorption effect of methylene blue solution and adsorbed amount was 3.634 mg/g.

diatomite;palygorskite;porous ceramic;methylene blue

國家自然科學基金項目 (41062002)；江西省科技廳資助項目 (2008212)；江西省教育廳資助項目 (GJJ08287)

匡 猛(1991-),男,碩士研究生.主要從事環境材料等方面研究.

王 平,博士,教授.

TQ424.22

A

1001-1625(2016)09-2986-04