趙亞紅，龐方亮，王 麗，王愛勤

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;

2.中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

材料與藥劑

鈉基蒙脫土對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附和解吸研究

趙亞紅1，龐方亮1，王 麗1，王愛勤2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;

2.中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

采用正交實(shí)驗(yàn)方法，確定了鈉基蒙脫土吸附亞甲基藍(lán)染料的最佳吸附條件。采用試劑再生法、超聲波法、高溫焙燒法、氫氧化鈉－高溫焙燒結(jié)合法對(duì)鈉基蒙脫土吸附亞甲基藍(lán)進(jìn)行解吸。用掃描電子顯微鏡照片和紅外光譜對(duì)吸附前后的鈉基蒙脫土的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在亞甲基藍(lán)溶液pH為10、吸附溫度為60°C、亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度為1 300 mg/L、吸附時(shí)間為6 h時(shí)，鈉基蒙脫土對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量可高達(dá)412 mg/g;氫氧化鈉－高溫焙燒結(jié)合法對(duì)鈉基蒙脫土的解吸效果最好，但吸附前后，鈉基蒙脫土的結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。

鈉基蒙脫土;亞甲基藍(lán);吸附;解吸;廢水處理

染料廢水是目前我國主要的有害工業(yè)廢水之一。這類廢水濃度高、色度深、降解難、成分復(fù)雜，直接排入水中會(huì)引起水質(zhì)污染［1］。在眾多的染料廢水中，偶氮染料廢水被公認(rèn)是難治理的高濃度有機(jī)廢水之一［2］。亞甲基藍(lán)是水溶性偶氮染料的代表性化合物，在水溶液中會(huì)形成有機(jī)“陽離子型”的季胺鹽離子基團(tuán)，且色度很高，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重［3］。目前，染料廢水常用的處理方法有絮凝沉淀法［4－5］、臭氧氧化法［6－7］、光催化法［8－9］、膜分離法［10－11］和吸附法等。其中吸附法由于不會(huì)引入新的污染物、能耗低且能從廢水中富集分離有機(jī)污染物，因而受到人們的廣泛關(guān)注［12－13］。

蒙脫土作為一種天然的高分子吸附劑，具有較大的比表面積和陽離子交換容量，因此被廣泛應(yīng)用于染料廢水處理。關(guān)于蒙脫土吸附亞甲基藍(lán)的研究雖已有報(bào)道［14－16］，但是采用正交實(shí)驗(yàn)確定蒙脫土吸附亞甲基藍(lán)的最佳吸附條件的研究還鮮見報(bào)道。而且在實(shí)際應(yīng)用中，吸附后的吸附劑是否可經(jīng)解吸再生重復(fù)使用，這也是經(jīng)濟(jì)上具有吸引力的關(guān)鍵所在［17］。

本工作通過正交實(shí)驗(yàn)考察了吸附條件對(duì)鈉基蒙脫土吸附亞甲基藍(lán)能力的影響，并對(duì)吸附后的鈉基蒙脫土進(jìn)行解吸，同時(shí)分析吸附前后鈉基蒙脫土的結(jié)構(gòu)變化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

鈉基蒙脫土:陽離子交換容量1 mmol/g，浙江豐虹黏土化工有限公司。亞甲基藍(lán):純度98.5%。其他試劑皆為分析純。

N EXUS型傅立葉變換紅外光譜儀:美國Thermo Nicolet公司;JSM－5600LV型掃描電子顯微鏡:日本JEOL公司;H－2050R型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī):長沙高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)湘儀離心機(jī)儀器有限公司;TU－1901型雙光束紫外－可見分光光度計(jì):北京普析通用儀器有限公司。

1.2 吸附實(shí)驗(yàn)方法

準(zhǔn)確稱取0.100 0 g鈉基蒙脫土，加入35 mL亞甲基藍(lán)水溶液，置于水浴恒溫振蕩器中(轉(zhuǎn)速150 r/min)，在一定溫度下吸附一定時(shí)間，使之達(dá)到吸附平衡。分離吸附液，在波長670 nm處測(cè)定亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度，按式(1)計(jì)算吸附量。

式中:Q為吸附量，mg/g;ρ0為亞甲基藍(lán)的初始質(zhì)量濃度，mg/L;ρe為達(dá)到吸附平衡時(shí)的亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度，mg/L;V為亞甲基藍(lán)溶液體積，L;m為鈉基蒙脫土的質(zhì)量，g。

1.3 解吸實(shí)驗(yàn)方法

試劑再生法:將吸附飽和的鈉基蒙脫土(質(zhì)量，g)分別與濃度為1 mol/L的硫酸、1 mol/L的氫氧化鈉、乙醇、蒸餾水(體積，mL)按1∶30的比例充分混合后在30°C、150 r/min的水浴恒溫振蕩器中振蕩3 h。

超聲波法:將吸附飽和的鈉基蒙脫土與水混合，用功率為90 W的超聲波處理3 h。

高溫焙燒法:將吸附飽和的鈉基蒙脫土500°C高溫焙燒3 h。

氫氧化鈉－高溫焙燒結(jié)合法:將吸附飽和的鈉基蒙脫土按試劑再生法用濃度為1 mol/L氫氧化鈉處理，再經(jīng)500°C高溫焙燒3 h。

將經(jīng)上述方法處理后的鈉基蒙脫土用水清洗直到洗液無顏色后調(diào)節(jié)至中性，60°C烘干后粉碎，過200目篩，在正交實(shí)驗(yàn)確定的最佳條件下進(jìn)行二次吸附實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附條件的確定

采用正交實(shí)驗(yàn)法，選用L9(34)正交設(shè)計(jì)表，考察了亞甲基藍(lán)溶液pH、吸附溫度、亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度和吸附時(shí)間對(duì)吸附量的影響，正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表1，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可見:影響吸附量指標(biāo)的因素大小順序?yàn)槲綔囟龋緛喖谆{(lán)溶液pH＞吸附時(shí)間＞亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度;最佳吸附條件為A3B3C1D3，即亞甲基藍(lán)溶液pH為10、吸附溫度為60°C、亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度為1 300 mg/L、吸附時(shí)間為6 h。在此最佳實(shí)驗(yàn)條件下的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最大吸附量為412 mg/g。

2.2 不同解吸方法對(duì)二次吸附量的影響

不同方法解吸后的鈉基蒙脫土對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量見圖1。由圖1可見:經(jīng)結(jié)合法解吸后的鈉基蒙脫土吸附量最大，可達(dá)74 mg/g;高溫焙燒法解吸的鈉基蒙脫土二次吸附量相對(duì)較大，為68 mg/g。但二次吸附量均比第一次吸附時(shí)的412 mg/g小得多，說明這幾種解吸方法對(duì)鈉基蒙脫土上亞甲基藍(lán)的解吸效果均不理想，這是由于鈉基蒙脫土對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附作用不僅僅是表面吸附，還同時(shí)存在離子交換吸附和化學(xué)吸附［18］，試劑再生法和高溫焙燒法在解吸過程中不能使層間的亞甲基藍(lán)分子發(fā)生解吸，僅對(duì)鈉基蒙脫土表面的亞甲基藍(lán)分子發(fā)生作用，且解吸后的鈉基蒙脫土由于表面殘留的染料分子的排斥力作用使其表面的空白吸附位難以被其他染料分子占據(jù)［19－20］。

圖1 不同方法解吸后的鈉基蒙脫土對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量

2.3 掃描電子顯微鏡照片分析

吸附前(a)后(b)鈉基蒙脫土掃描電子顯微鏡照片見圖2。由圖2可見:鈉基蒙脫土片層規(guī)則整齊地排列在材料表面，而且比較致密;而吸附后，鈉基蒙脫土表面片層結(jié)構(gòu)呈團(tuán)狀無規(guī)則分散，而且比較疏松。這說明染料分子進(jìn)入了蒙脫土層間，導(dǎo)致蒙脫土的表面形貌發(fā)生了變化。

圖2 吸附前(a)后(b)鈉基蒙脫土的掃描電子顯微鏡照片

2.4 紅外光譜譜圖分析

吸附前后鈉基蒙脫土的紅外光譜譜圖見圖3。

圖3 吸附前后鈉基蒙脫土的紅外光譜譜圖

由圖3可見:鈉基蒙脫土在3 627 cm－1處的—OH伸縮振動(dòng)吸收峰在吸附亞甲基藍(lán)后明顯減弱;同時(shí)，鈉基蒙脫土在3 424 cm－1和1 636 cm－1處的O—H伸縮振動(dòng)吸收峰在吸附亞甲基藍(lán)后增強(qiáng)并分別向3 441 cm－1和1 602 cm－1處移動(dòng);吸附后的鈉基蒙脫土分別在1 490，1 249，884 cm－1處出現(xiàn)亞甲基藍(lán)芳香環(huán)的特征伸縮振動(dòng)吸收峰，這說明亞甲基藍(lán)染料分子進(jìn)入了鈉基蒙脫土層間，可能與蒙脫土中的—OH鍵通過蒙脫土的層間陽離子發(fā)生了配位或絡(luò)合作用。

3 結(jié)論

a)通過正交實(shí)驗(yàn)得出鈉基蒙脫土吸附亞甲基藍(lán)的最佳吸附條件:亞甲基藍(lán)溶液pH 10、吸附溫度60°C、亞甲基藍(lán)溶液質(zhì)量濃度1 300 mg/L、吸附時(shí)間6 h。在此條件下，鈉基蒙脫土對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量可高達(dá)412 mg/g。

b)采用試劑再生法、超聲波法、高溫焙燒法、氫氧化鈉－高溫焙燒結(jié)合法對(duì)吸附飽和的鈉基蒙脫土進(jìn)行解吸和二次吸附研究。經(jīng)氫氧化鈉－高溫焙燒結(jié)合法解吸的鈉基蒙脫土二次吸附量最大，為74 mg/g。但這些方法對(duì)鈉基蒙脫土上亞甲基藍(lán)的解吸效果均不理想。

c)掃描電子顯微鏡照片和紅外光譜譜圖表征結(jié)果顯示，鈉基蒙脫土吸附亞甲基藍(lán)后的結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。

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Study on Adsorption and Desorption of Methylene Blue on Na-montmorillonite

ZhaoYahong1，Pang Fangliang1，Wang Li1，Wang Aiqin2

(1.College of Material Science and Art Design，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot Inner Mongolia 010018，China;
2.Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China)

The optimum conditions for adsorption of methylene blue(MB)onto Na-montmorillonite(Na-MMT)were determined by orthogonal tests.The MB on Na-MMT was desorbed by agent regeneration method，ultrasonic wave method，high temperature calcination method and sodium hydroxide-high temperature calcination method，respectively.The structures of Na-MMT before and after adsorption were characterized by SEM and FT-IR.The experimental results indicate that:When the MB solution pH is 10，the adsorption temperature is 60℃，the MB mass concentration is 1 300 mg/L and the adsorption time is 6 h，the adsorption quantity of MB on Na-MMT is as high as 412 mg/g;The best method for desorption of Na-MMT is the sodium hydroxide-high temperature calcination method，but the structures of Na-MMT before and after adsorption are changed obviously.

Na-montmorillonite;methylene blue;adsorption;desorption;wastewater treatment

X703.1

A

1006－1878(2011)04－0357－04

2011－02－24;

2011－03－22。

趙亞紅(1987—)，女，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市人，碩士生，研究方向?yàn)榧{米功能高分子材料。電話15904889234，電郵 shuipingzuowsw@163.com。聯(lián)系人:王麗，電話 15124706859，電郵 wl2083663@126.com。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20867004);國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201104004)。

(編輯 張艷霞)