以水為溶劑的OTMAB改性凹土對Cr6+吸附性能的影響

白 娟 張天亞

(1.安徽新華學院 藥學院，安徽 合肥 230088；2.合肥杰事杰新材料股份有限公司，安徽 合肥 230088)

隨著我國工業化進程的加快，電鍍和制革等化工廠增多，環境污染越來越嚴重。Cr6+作為環境污染中對人體危害最大的化學物質之一，是世界公認的一種強致癌金屬物。在水體中，Cr6+的存在方式主要有三種：CrO42-、CrO72-和HCrO4-，因為水中有機物、氧化還原物及pH值、溫度及硬度等各種條件的影響，Cr6+與Cr3+化合物相互之間可以進行轉化。通常認為Cr6+的毒性比Cr3+高100 倍[1]。我國GB 8979—1996《污水綜合排放標準》要求排放廢水中ρ(Cr6+)不得超過0.5 mg·L－1。因此，降低廢水中Cr6+的濃度是十分重要的。目前，含Cr6+廢水處理方法主要有生物法[2]、化學還原法[3]和物理吸附法[4]等，其中物理吸附法對低濃度含Cr6+廢水具有操作簡單、成本低、去除效率高等優點[5]。

凹土是一種非金屬粘土礦，主要成分是坡縷石，具有良好的吸附性能，廣泛應用于化工生產、建材涂料、醫藥生產和環境保護等領域[6]。天然凹土雖然有良好的吸附活性，但應用前景有限。目前，通常是通過一定的條件使凹土改性，以提高其吸附效果。二苯碳酰二肼分光光度法[7]在測定水中Cr6+具有多項優點，例如，干擾少、靈敏度高、操作簡單、使用范圍廣等，因此，常被用作測定水樣中六價鉻的首選國標經典方法[8]。本文參考了國家標準的二苯碳酰二肼分光光度法來表征改性凹土對Cr6+吸附性能的強弱，并測定了標準曲線。在將凹土進行預處理后，以水為溶劑對其進行OTMAB改性，通過測定不同情況下凹土對Cr6+吸附率，探討改善凹土吸附性能的條件，為后續進一步研究改性凹土對Cr6+的吸附性能，加大對凹土產品的研發力度打基礎。

1 實驗準備

1.1 試劑與儀器

主要試劑：凹土、OTMAB(十八烷基三甲基溴化銨)、重鉻酸鉀、鹽酸、硫酸、磷酸、二苯碳酰二肼、無水乙醇、丙酮。其中，凹土為明光市國星凹土有限公司生產；OTMAB、二苯碳酰二肼、重鉻酸鉀為國藥集團化學試劑有限公司生產；其余試劑皆為西隴科學股份有限公司生產。所有試劑皆為分析純。

主要儀器：電子天平(FA2004)；馬福爐(SX2-2.5-10A)；恒溫磁力攪拌器(79HW-1)；循環水式多用真空泵(SHZ-DⅢ型)；可見分光光度計(721型)；電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9101·OSA)；X射線衍射儀(TF-5500型)；掃描電子顯微鏡(SU1510)。

1.2 標準曲線溶液配制

本文參考了國家標準的二苯碳酰二肼分光光度法[8]來表征改性凹土對Cr6+吸附性能的強弱，并測定了標準曲線，具體過程如下。

顯色劑配制：將0.2g二苯碳酰二肼溶于50mL丙酮后，用去離子水于100mL棕色容量瓶中進行定容，低溫保存。

1+1硫酸溶液配制：用量筒量取一定體積的硫酸，加入燒杯中，再加入相同體積的去離子水，攪拌均勻。

1+1磷酸溶液配制：用量筒量取一定體積的磷酸，加入燒杯中，再加入相同體積的去離子水，攪拌均勻。

5μg/mLCr6+溶液配制：重鉻酸鉀于110℃恒溫干燥2h，然后稱取0.282 9g，用去離子水溶解，再倒入100 0mL容量瓶中，定容，搖勻，配成濃度為0.1mg/mL的Cr6+儲備液。用移液管吸取25mL的Cr6+儲備液，放入500mL的容量瓶中，定容，搖勻。

1.3 凹土預處理

將100g凹土原土磨細后溶于200mL配置好的 5mol/L鹽酸中，在25℃恒溫下，用磁力攪拌器中速攪拌約1h，反復抽濾洗滌，直至pH示數達到中性值左右，然后105℃烘干。再次研磨過6號篩，在馬福爐中300℃活化2h后冷卻，待用。

1.4 凹土改性

先稱取6組預處理后的凹土，每組3g。再分別稱取凹土質量為0%、0.5%、1%、2%、3%、4%的OTMAB，將各組OTMAB溶于50mL去離子水后，加入稱取的凹土及攪拌子，在25℃恒溫下，以中檔左右的功率攪拌1h。反復抽濾洗滌，105℃下烘干，再次研磨，過6號篩，裝入樣品袋中封口，寫上各組的標簽，保存備用。

2 吸附率測定

2.1 標準曲線測定

將1.1中配置好的5μg/mL的Cr6+溶液分別移取0、0.20、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.0mL，倒入50mL的容量瓶中，接著定容搖勻。向每個容量瓶中，依次加入0.5mL的硫酸溶液和0.5mL的磷酸溶液，搖勻，再依次加入2mL的顯色劑，搖勻。以不含Cr6+的去離子水做參比，在540nm波長處，測定各組吸光度。

2.2 凹土吸附率測定

在凹凸吸附Cr6+的實驗中選取測標準曲線時最大的Cr6+濃度，即：1μg/mL的Cr6+溶液。配制過程如下：用移液管移取5.00mL的Cr6+儲備液放入500mL容量瓶中，定容，搖勻。此Cr6+使用液的濃度為1μg/mL，每天實驗時，現用現配。

2.2.1 固液比1:1000，吸附時間為2h

將不同質量比OTMAB改性的各組凹土取0.05g分別跟50mL的Cr6+溶液放入錐形瓶中，加入攪拌子，用保鮮膜封口，在室溫下，中擋左右的功率攪拌15min后，靜置吸附2h。待吸附結束后，將各組混合液進行過濾，用燒杯來接濾液，并在燒杯上貼上對應的標簽： 0%、0.5%、1%、2%、3%、4%，依次加入0.5mL的硫酸溶液和0.5mL的磷酸溶液，搖勻，再加入2mL的顯色劑，搖勻，然后于540nm波長處，測得各組的吸光度。并對照標準曲線的線性關系計算出各組的吸附率。

2.2.2 固液比1:1000，吸附時間為12h

將實驗操作步驟2.2.1中的吸附時間改為為12h。其余實驗操作步驟與2.2.1相同。

2.2.3 固液比1:100，吸附時間為12h

將實驗操作步驟2.2.2中稱取的OTMAB改性凹土質量改為0.5g，其余實驗步驟2.2.2相同。

2.2.4 測定原土的吸附率，固液比為1:100，吸附時間為12h

取10g左右的原土，磨細后倒入水中浸泡10min，然后抽濾干燥，再次研磨，過6號篩。稱取兩組過篩的原土各0.5g，放入錐形瓶中，貼上標簽：參比、吸附。其他實驗操作步驟與2.2.1相同。

3 實驗結果

3.1 標準曲線

按照2.1所述的標準曲線測定方法，測得各組別的的吸光度結果見表1，擬合曲線如圖1所示。

表1 標準液濃度及吸光度

圖1 Cr6+濃度與吸光度的標準曲線

由圖1可知，該標準曲線的擬合優度R2=0.999 42，說明Cr6+溶液在所測定的濃度0.00—1.00μg/mL范圍內，線性關系良好，線性關系式y=0.779 24x+0.010 09的可信度較高。因此，以下實驗結果均以該線性關系式計算吸附率。

3.2 吸附實驗結果

3.2.1 吸附時間的影響

將改性凹土在固液比1:1000時，吸附時間分別為2h和12h情況下的吸附率結果如表2所示，并繪制圖2。

表2 固液比1:1000的改性凹土在不同吸附時間下的吸附率

圖2 固液比1:1000的改性凹土在不同吸附時間下的吸附率

3.2.2 固液比的影響

將改性凹土在吸附時間為12h時，固液比分別為1:1000和1:100條件下的吸附率結果如表3所示，并繪制下頁圖3。

表3 吸附時間為12h的改性凹土在不同固液比下的吸附率

圖3 吸附時間為12h的改性凹土在不同固液比下的吸附率

3.2.3 原土的吸附率

測得固液比為1:100，吸附時間為12h時，原土的吸附率為2.2%。

4 結果討論

由上頁圖2可以看出，當其他條件相同，吸附時間12h的吸附率比吸附2h的吸附率大，這說明吸附時間對Cr6+的去除有影響。

由圖3可以看出，當其他條件相同，固液比1:100的吸附率比固液比1:1000的吸附率明顯大很多，這說明固液比對吸附效果影響很大。

對比固液比為1:100，吸附時間為12h時凹土原土的吸附率(2.2%)和改性凹土中OTMAB含量為0%(即只經過預處理的凹土)的吸附率(15.1%)，可以看出，經過預處理的凹土對Cr6+的吸附性能明顯提高。

由圖2和圖3可以看出改性凹土對Cr6+的吸附性能，隨著改性劑OTMAB用量的增大，先變強后減弱，且當質量比為1%時，出現峰值，即此條件下改性凹土吸附效果最佳。

5 結果表征

5.1 XRD分析

為弄清凹土改性前后，其結構的變化與否，對部分改性凹土及凹土原土做XRD分析，如圖4所示。

圖4 部分改性凹土及其原土的XRD譜圖

通過對比發現，2θ為31°左右的強峰只在原土中出現，說明該峰可能是雜質峰，在預處理實驗中，該物質被除去。2θ為27°左右的峰，改性凹土的峰強度均大于原土，說明改性后凹土的晶體晶型較好。

5.2 掃描電鏡

對吸附效果最好的預處理凹土及原土做掃描電鏡，其結果如圖5、圖6所示。

圖5 凹土原土放大1萬倍

圖6 預處理凹土放大1萬倍

由電鏡照片可知，凹土原土的結構類似于棒狀結構的晶體，且聚集成塊。而經過鹽酸酸洗和高溫熱活化后的凹土，其結構更加疏松，棒狀晶體變多。分析其原因，可能是預處理的過程中，除去了部分雜質，使凹土孔道變多，棒狀晶體增加，比表面積增大，達到改性效果。

6 結語

第一，本實驗表明吸附時間增加可提高吸附率，這與吸附傳質機理有關，隨著吸附時間的增加，吸附速率的增速會越來越小，直到某一時間不在增加，后續可以進行這方面的驗證；

第二，本實驗表明固液比增加可提高吸附率，這與吸附傳質機理有關，在一定的固液比范圍內隨著固液比增加，吸附速率會越來越大，后續可以進行這方面的研究；

第三，本實驗表明凹土原土只要經過預處理，就能增加其吸附率，因此，以后在凹土應用中，盡可能處理后再用；

第四，本實驗表明改性的凹土對Cr6+的吸附性能，隨著改性劑OTMAB的用量增大，先變強后減弱，這說明不同的改性條件對凹土的吸附性能是有影響，在改性凹土使用時，注意要在最優情況下進行。