蒙脫石/活性炭復合吸附劑的制備及對氨氮吸附性能的研究

楊 妮， 王雅麗， 巫來秀， 羅景丹， 李豪斐

(太原工業學院環境與安全工程系，山西 太原 030008)

隨著工業化和城鎮化的發展，我國水環境污染問題也越來越突出，雖然近年來環保法規趨嚴，執法力度加大，環境狀況逐年改善，但是污染排放總量仍然巨大。蒙脫石和活性炭由于其豐富的空隙、巨大的比表面積，在冶金、化工和環保行業作為吸附劑被廣泛應用[1-2]。在廢水處理中，活性炭本身具有一定的疏水性和親油性，對有機物的吸附有一定優勢，但對于極性物質如氨氮的處理效果欠佳[3-4]。蒙脫石具有較大的層間距、比表面積和孔體積，對廢水中的極性小分子有更好的吸附能力[5]。因此，近年來不斷有學者開展活性炭和蒙脫石的組合處理廢水的研究，或者探討將兩者復合成一種新型材料進行廢水處理[6]。本實驗選用羧甲基纖維素鈉(CMC)對蒙脫石與活性炭進行粘連，并干燥、成型，形成一種新型復合材料，通過測定復合材料的散失率，以及氨氮溶液的吸附效果，探討黏結劑添加量、吸附時間、吸附劑添加量及反應時間對蒙脫石/活性炭復合材料吸附氨氮性能的影響。

1 材料與方法

1.1 蒙脫石/活性炭復合材料的制備

稱取一定量的蒙脫石和活性炭進行混合，蒙脫石和活性炭的質量比為1∶1，然后稱取一定量的羧甲基纖維素鈉(CMC)，使其完全溶解于燒杯中；再將蒙脫石和活性炭混合材料倒入黏結劑溶液中，充分攪拌，然后烘干至含水量為30%～50%，攪拌均勻，而后進行熱處理，溫度為200 ℃，熱處理時間為1 h。

1.2 實驗方法

氨氮溶液的配制：用氯化銨配制100 mg/L的氨氮溶液，并取50 mL于100 mL錐形瓶中，加入一定量的蒙脫石、活性炭、蒙脫石/活性炭復合材料，以150 r/min的轉速振蕩一定時間后，通過納氏試劑分光光度法測定溶液中氨氮的濃度。

1.3 分析方法

1.3.1 散失率的測定

取50 mL去離子水加入100 mL錐形瓶中，加入一定質量的蒙脫石/活性炭復合材料，以150 r/min的轉速振蕩30 min，過濾后將吸附劑在105 ℃下干燥至恒重，過篩后稱重。散失率的計算公式如式(1)。

(1)

式中：P為散失率；m0和m1分別表示吸附劑投加量和過篩后吸附劑質量，g。

1.3.2 氨氮吸附率

氨氮吸附率的計算公式如式(2)。

(2)

式中：η為吸附率；C1和C2分別表示吸附前后廢水中氨氮質量濃度，mg/L。

2 結果分析

2.1 復合材料的制備

2.1.1 黏結劑添加量優化

研究中選擇羧甲基纖維素鈉(CMC)作為黏結劑制備蒙脫石/活性炭復合吸附劑。圖1為不同黏結劑添加量的吸附劑散失率。

圖1 不同黏結劑添加量的復合吸附劑散失率

由圖1可知，對于蒙脫石/活性炭復合材料，黏結劑羧甲基纖維素鈉(CMC)添加量越多，所制得的復合吸附材料強度越高，散失率越低。當羧甲基纖維素鈉黏結劑(CMC)添加量為0%～5%時，制得的復合吸附材料強度較低；若添加10%、15%和20%的黏結劑，則復合吸附材料強度高，可滿足運輸和貯存的強度要求，且在10%～20%范圍內，復合材料的散失率變化不明顯。因此，綜合考慮，選擇10%的羧甲基纖維素鈉黏結劑添加量來制備蒙脫石/活性炭復合吸附材料。

2.1.2 黏結劑添加量對氨氮吸附性能影響

將不同量的羧甲基纖維素鈉(CMC)添加到氨氮廢水中，分析不同添加量對廢水中氨氮吸附性能的影響，如圖2所示。

圖2 不同黏結劑添加量的復合吸附劑對廢水中氨氮吸附率的影響

由圖2可以看出，當羧甲基纖維素鈉黏結劑(CMC)添加量為0%～5%時，廢水中氨氮吸附率較低，為50%左右；當添加量為10%～20%時，廢水中氨氮吸附率為60%以上，但隨著添加量增加，對氨氮吸附率的增加趨勢不是特別顯著。當黏結劑添加量為10%～20%時，廢水中氨氮吸附率分別是60.9%～62.6%。因此，進一步表明選擇10%的羧甲基纖維素鈉黏結劑(CMC)添加量來制備蒙脫石/活性炭復合吸附劑。

2.2 反應時間對吸附效果的影響

圖3為蒙脫石/活性炭復合吸附劑投加量為12 g/L時，反應時間對氨氮溶液吸附的影響。由圖3可以看出，復合吸附材料吸附劑對氨氮溶液的吸附率在60 min～120 min呈下降趨勢，在120 min以后呈上升趨勢，總體呈現先下降后上升的特點；反應時間為60 min時與反應時間為150 min時的吸附效果接近；反應時間為180 min時，雖然吸附率有所增加，但是花費時間過長。因此，綜合考慮，選擇反應時間60 min為最佳反應時長。

圖3 不同反應時間對吸附氨氮效果的影響

2.3 復合吸附劑添加量對吸附效果的影響

圖4為蒙脫石/活性炭復合吸附劑加入氨氮溶液中反應60 min時，吸附劑添加量對氨氮溶液吸附效果的影響。由圖4可知，當吸附劑用量為4 g/L～8 g/L時，吸附劑對氨氮溶液的吸附率快速上升，在8 g/L時達到最高值；當吸附劑用量達到12 g/L時，吸附率下降；當吸附劑用量繼續增加時，吸附率緩慢增加。因此，綜合考慮，將吸附劑添加量確定為8 g/L。

圖4 不同復合吸附劑投加量對吸附氨氮效果的影響

2.4 反應溫度對吸附效果的影響

第19頁圖5為蒙脫石/活性炭復合吸附劑加入氨氮溶液中反應60 min時，吸附劑添加量為8 g/L時，反應溫度對氨氮溶液吸附效果的影響。由圖5可知，當反應溫度為20 ℃時，氨氮吸附率為68.3%，當反應溫度為30 ℃時，氨氮吸附率為85.9%，為最大吸附率；當反應溫度高于30 ℃，氨氮吸附率隨著反應溫度的增加而降低。因此，綜合考慮將反應溫度確定為30 ℃。

圖5 不同反應溫度對吸附氨氮效果的影響

3 結論

1) 通過添加不同粘結劑的量，計算其散失率，從機械強度考慮，在10%～20%范圍內，復合材料的機械強度變化不明顯，所以選擇10%的羧甲基纖維素鈉黏結劑添加量來制備蒙脫石/活性炭復合吸附材料。

2) 通過單因素實驗，發現復合吸附劑對氨氮吸附效果最佳的條件是：反應時間為60 min，復合吸附劑投加量為8 g/L，反應溫度為30 ℃。