磁性白土制備及其對水溶液中鈣離子的吸附實驗研究

周曉蕾

（遼寧省國家新型原材料基地建設工程中心，遼寧 沈陽 110032）

我國膨潤土資源儲量27.93億噸，全國有近千家膨潤土礦山，浙江、新疆、遼寧、廣西等地資源相對較豐富。近年來，隨著國民經濟發展，膨潤土作為粘結劑、吸附劑、催化劑、脫色劑、載體等功能性材料，得到了廣泛應用。對膨潤土提純和改性，繼而開發高附加值與功能化的材料已經成為膨潤土開發利用的重點［1］。鈣基膨潤土經無機鹽活化改性后，對重金屬廢水中鉻離子和銅離子等吸附效果明顯，研究表明膨潤土對重金屬離子的吸附不僅有離子交換吸附、孔道吸附，還存在晶層間吸附［2，3］。以聚二甲基二烯丙基氯化銨或者溴化十六烷基三甲胺改性膨潤土，可以增進膨潤土對水中硝基苯等有機物的吸附，對有機物的極性影響研究得到膨潤土不僅有吸附作用，還具有分配作用［4-6］。

針對粉末狀膨潤土在水處理應用中存在固液分離困難的問題，制備得到磁性膨潤土。磁性膨潤土產品的吸附性能與原粉末狀膨潤土相當，但是，很容易從溶液中分離出來［7］。本文對磁性膨潤土制備過程的pH值變化規律進行研究，對其結構性能進行測試表征，并將其應用于水中鈣離子的去除，為更好地理解反應機理和定量可控制備以及更好理解吸附性能提供基礎。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

智能數顯恒溫水浴鍋，H-2，鞏義市予華儀器有限責任公司；變頻行星式球磨機，XQM-2L，大冉科技有限公司；數顯酸度計，PHS-3C，杭州雷磁分析儀器廠；電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG-9140，鞏義市予華儀器有限責任公司。

膨潤土，粘土礦，遼寧省建平沙海縣；氫氧化鈉，分析純，天津市大茂化學試劑廠；濃硫酸，分析純，中國開封東大化工有限公司；十六烷基三甲基溴化銨，分析純，北京奧博星生物技術責任有限公司；焦磷酸鈉，AR，天津市大茂化學試劑廠；七水硫酸亞鐵，分析純，廣東汕頭西隴化工廠；六水氯化鐵，分析純，天津市大茂化學試劑；鈣-羧酸鈉鹽，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 實驗原理

水溶液中二價與三價鐵鹽離子，在堿性沉淀劑作用下，在膨潤土表面形成四氧化三鐵共沉淀，其反應機理方程式如式 （1） ～（4）所示。

1.3 膨潤土性能測試

對膨潤土性能分析，結果如表1所示。

表1 膨潤土的性能參數

1.4 磁性白土的制備

1）膨潤土的提純。在去離子水中混入一定量的天然膨潤土，配置成濃度為10%的混合液，攪拌充分后靜置過夜，后對上層混合液體進行抽濾后得到濾餅，在常壓下以100℃干燥8 h。后將干燥的濾餅經球磨機以5000r／min的轉速處理2 h后采用200目的篩子進行篩選。反復上述操作對膨潤土進行提純。

2）活性白土的制備。取提純后的膨潤土50g置于三口燒瓶中，后倒入15%的硫酸溶液 （固液比為1∶4）。在≥90℃的水浴加熱條件下攪拌，反應5 h，反應結束后對混合物進行抽濾，后在濾餅中加入去離子水，待濾餅均勻分散于去離子水后再對其進行抽濾，反復幾次，當懸液的pH＝5時停止，并將其抽濾后得到的濾餅以105～110℃干燥6 h，干燥結束后將其研磨后用200目的篩子進行篩選，所得物質為活性白土。

3）磁性白土的制備。在去離子水中加入一定量的活性白土后加入約活性白土質量3%的十六烷基三甲基溴化銨。在水浴加熱80℃的條件下快速攪拌反應 1 h；采用 n（FeCl3·6H2O）∶n（FeSO4·7H2O）＝3∶2的比例配置水溶液，后將該水溶液加入到混有十六烷基三甲基溴化銨和活性白土的混合液中，在80℃水浴加熱的條件下快速攪拌并在1 min內快速滴入濃度為1 mol／L的氫氧化鈉溶液將體系的pH值調節至11（該過程中先生成棕色沉淀后慢慢變為黑色）；在水浴加熱80℃的條件下攪拌1.5 h后在50℃的條件下晶化1 h；反應中得到的沉淀可以通過外加的磁力進行分離，后采用去離子水和乙醇進行洗滌4次，后在80℃下干燥過夜，將其研磨后用200目的篩子進行篩選，所得物質為磁性白土。

1.5 吸附水溶液中鈣離子

在去離子水中加入一定量的氯化鈣，配置為氯化鈣溶液，通過改變吸附劑用量、吸附時間、反應體系pH、反應溫度、初始濃度等條件對Ca2＋去除率的最優條件進行考察。

2 結果分析與討論

2.1 磁性白土分析

2.1.1 過程pH變化

驗過程中對混合溶液的pH值進行監測，其變化如圖1所示。開始，未加NaOH時，活性白土懸浮液的pH值約為4左右，加入Fe3＋和Fe2＋的混合液后，由于Fe3＋和Fe2＋在水溶液中存在水解電離，產生的H＋影響使混合液pH值降至1左右；開始逐滴加入NaOH，pH值相對穩定，是由于Fe3＋與OH絡合生成Fe（OH）3絡合物，當pH值達到3.7左右時，Fe3＋完全形成Fe（OH）3膠束；繼續滴加NaOH溶液，Fe2＋與 NaOH絡合，同時 Fe（OH）2與 Fe（OH）3反應形成FeOOH，Fe2＋與FeOOH反應形成Fe3O4黑色沉淀，當pH值在7.6左右時，Fe2＋完全反應形成Fe（OH）2黑色沉淀，當pH值達到11左右，繼續滴加NaOH溶液，pH值變化不顯著，即生成Fe3O4磁流體混合液。上述監測結果與反應機理式 （1） ～式 （4）基本一致。

圖1 過程中混合溶液的pH值變化曲線

2.1.2 磁性白土的XRD分析

對天然膨潤土、活性白土與磁性白土進行XRD分析，結果如圖2所示。

圖2 天然膨潤土、活性白土與磁性白土的XRD譜圖

由圖2可知，在6.0°、19.9°、35.4°、62.1°處的峰是膨潤土特征峰，峰位置在2θ＝6.5°處的d（001）值是1.35799 nm，由此可判斷該膨潤土為鈉鈣基膨潤土。在21.948°處出現一個強峰，表明有雜質長石存在。在29.536°處出現一線尖銳的峰，表明該土中含有雜質石英。

天然膨潤土經過酸活化后，膨潤土的基本結構未發生明顯變化，由于酸的作用，天然膨潤土中雜質峰強度減弱或消失，是由于酸作用的結果。且d（001）值由 1.56283nm降低至 1.35799nm，是由于H＋替代膨潤土層間的Ca2＋、Mg2＋等離子，膨潤土層與層間的作用力減小引起的。

由圖 3知，在 2θ的值為 6.5°、30.35°，53.77°、62.99°等處為活性白土特征峰位置，磁性白土的峰強度與活性白土相比，峰強度均相對減弱，而35.74°處是Fe3O4的特征峰位置，且該峰相對增強，這是由于生成的Fe3O4與膨潤土的峰疊加的結果；在6.20°和20.00°左右處，峰強度減弱，可能是由于膨潤土包覆在白土的表面所致；同時在53.75°和57.15°處出現新的峰，這是Fe3O4的特征峰。

2.1.3 磁性白土的IR分析

對天然膨潤土、活性白土和磁性白土進行IR譜圖分析，結果如圖3所示。由圖3可知，活性白土和磁性白土仍有著膨潤土的硅鋁酸鹽骨架的結構特征。其主要基團的振動峰如下，在3643cm-1附近的吸收峰，主要是由于Al—O—H鍵的伸縮振動而引起的；在3452 cm-1附近，其歸屬于層間水分子的H—O—H的伸縮振動引起的，且與中波段的1639 cm-1附近的水分子H—O—H彎曲振動相對應。在1040 cm-1附近的峰，歸屬于膨潤土的Si—O—Si的反對稱伸縮振動引起的。在921 cm-1附近的一個弱吸收峰譜帶，是膨潤土中的Si—O—Si的對稱伸縮振動和 A1—OH的彎曲振動所致。在796cm-1處的峰，是膨潤土中的Al（Mg）—OH的伸縮振動引起的。在525 cm-1和471 cm-1附近的兩個中等強度吸收帶，與膨潤土的Si—O—M（Fe2＋、Al3＋、Mg2＋等）、Si—O—Si的偶合振動及鐵的氧化物有關。由于H＋的置換，在525cm-1處，活性白土相比于天然膨潤土吸收峰減小；磁性白土與活性白土比較發現該處吸收峰增大，說明有Si—O—Fe的形成。由圖3中c、b與a曲線對比可知，在450～1300cm-1范圍內相應的峰強度減弱，且活性白土在796cm-1峰減小，而磁性白土受到鐵氧化物的涂覆影響而消失。由上表明，活性白土和磁性白土相比于天然膨潤土，在保留膨潤土結構特征的前提下，吸收峰的透射率減弱，活性白土主要是由于H＋的置換作用，使層間固定的結合水減少所導致的；磁性白土是由于Fe3O4附著在活性白土的表面，影響其透過率，如Si—O—Si的吸收峰減弱，同時活性白土的相對比重降低也是吸收峰減小的原因。磁性白土中的氧化鐵顆粒和活性白土顆粒之間形成氧化鐵-活性白土共價鍵，結合穩定。由此可知，制備得到了磁性白土材料。

圖3 天然膨潤土、活性白土及磁性白土的IR譜圖

2.1.4 磁性白土的BET表征

對天然膨潤土、活性白土及磁性白土進行BET表征，結果如表2所示。

表2 BET數據

由表2可知，活性白土的比表面積大于膨潤土，原因是離子半徑較小的氫離子，置換了層間的部分陽離子 （Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋等金屬離子），同時使得膨潤土的片層結構 “松懈”，層間作用力減小，比表面積增大；而磁性白土相對于天然膨潤土和活性白土來說，比表面積均變小，這一結果與前面的XRD分析結果相照應，是由于生成Fe3O4團聚或包覆在膨潤土的表面上，堵塞了部分孔隙，使得其BET比表面積減小，對應的單點平均孔半徑的值變化是由于Fe3O4顆粒的包覆或涂覆的影響，使一些微孔被填充或堵塞，從而使得單點平均孔半徑的值增加。綜上可知，生成的Fe3O4顆粒是附著在膨潤土的表面上，制備得到了磁性白土復合材料。

2.2 水溶液中鈣離子的吸附

改變吸附劑 （天然膨潤土、活性白土與磁性白土）的用量，測試吸附劑的量對鈣離子去除率的影響，結果如圖4所示。圖4表明，吸附劑的量在0.0～2.5g時，對于Ca2＋的去除率的變化規律是隨吸附劑量增加均有增加，這是因為更多的吸附位點與Ca2＋形成絡合物，具體的除率按從高到低的排序為：磁性白土最優，其次是磁性膨潤土，再其次活性白土，最低為鈣基膨潤土；吸附劑的量0.0～0.5g時，三種吸附劑對Ca2＋的去除率都有明顯的上升趨勢，吸附劑量0.5～2.5g時鈣基膨潤土和活性白土對Ca2＋的去除率增加緩慢，而磁性白土對Ca2＋的去除率在0.5～1.0g處出現短暫的緩慢增加趨勢，隨后在1.0～2.0g內再次出現迅速增加趨勢，直至2.0～2.5g再度出現緩慢增加趨勢。可知，吸附量隨著吸附劑量的增加，吸附到磁性白土上的Ca2＋的量是降低的。可能是由于磁性白土顆粒間的相互作用增加，導致磁性白土上的有效吸附位點利用率下降，導致吸附量降低。在同樣的實驗條件下，與天然膨潤土的Ca2＋的去除率相比，磁性白土的去除率明顯更高，并且磁性白土主要的離子為H＋，同膨潤土相比更為純凈。因此，磁性白土是一種可以對Ca2＋進行吸附的優良吸附劑。實驗中Ca2＋的初始質量濃度低于40 mg／L時，去除率約100%；最佳吸附時間是0.5 h。

圖4 磁性白土的量對鈣離子去除率的影響

2.3 磁性白土吸附Ca2＋前后的XRD表征

測試得到磁性白土吸附Ca2＋前后的XRD譜圖如圖5所示。

由圖 5可知，2θ在 6.43、19.59、35.59°及62.90°等處是膨潤土的特征峰峰位，表明吸附前后未改變膨潤土的基本結構特征。對圖5中a和b對比 可 知，在 19.84、30.24、38.97、40.26°及43.15°等處的峰強度變強，與CaCl2的標準卡對比發現，這些峰增強的原因是由于吸附質Ca2＋被磁性白土吸附后，其峰與磁性白土特征峰疊加所致，由此可以表明，該磁性白土復合材料具有吸附Ca2＋的能力，由于該材料具有磁性，在吸附后可以通過外部磁力實現吸附劑與溶液的分離，降低了吸附劑的分離難度。

圖5 磁性白土吸附Ca2＋前后的XRD表征

3 結論

采用天然的膨潤土經過提純、改性等條件后采用共沉淀法可以得到磁性白土材料，該材料能夠對水溶液體系中的Ca2＋進行吸附，由于該材料具有磁性，通過外部施加的磁力的條件能夠降低吸附劑的分離難度，改善了分離問題。適宜的工藝條件為：常溫下，溶液中鈣離子質量濃度低于40mg／L時，磁性白土用量為2g，吸附時間0.5h，鈣離子祛除率達到100%。