沸石的改性及其对垃圾渗滤液的脱色研究

宋卫军 郑细鸣 谢妤

(武夷学院 福建省高校绿色化工技术重点实验室，环境与建筑工程系，福建 武夷山 354300)

沸石的改性及其对垃圾渗滤液的脱色研究

宋卫军 郑细鸣*谢妤

(武夷学院 福建省高校绿色化工技术重点实验室，环境与建筑工程系，福建 武夷山 354300)

采用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和壳聚糖对沸石进行改性，并考察了改性沸石对垃圾渗滤液的脱色性能。结果表明：通过改性，沸石的脱色能力明显得到改善，CTAB改性效果优于壳聚糖。用浓度为10%的壳聚糖和CTAB溶液修饰沸石，在垃圾渗滤液的初始pH调为7～8，改性沸石用量为4.0 g/100mL的条件下，其对垃圾渗滤液的脱色率分别达到74.3%和81.5%。

沸石；改性；脱色性能；垃圾渗滤液

前 沿

垃圾渗滤液是垃圾填埋过程中产生的二次污染物，由于其成分极其复杂，水质变化范围大，有机负荷高，含有大量具有难生物降解性、生物累积性和“三致效应”的有毒有害污染物，可使地面水体缺氧、水质恶化、富营养化，对饮用水和工农业用水水源和人类健康造成威胁[1-3]，目前对垃圾渗滤液处理以物化法为主，但其处理成本较高，不适用渗滤液的规模化处理。生化法虽然也用于垃圾渗滤液的脱色，但垃圾渗滤液有机物含量高，成分复杂，可生化性差，致使对难降解有机物和色度去除率不高。

沸石最基本的构成单元是硅氧四面体(SiO4)或铝氧四面体(AlO4)，单元之间通过四面体顶点氧互相连接（桥氧），这些[TO4]四面体有较空旷的骨架结构和较大的比表面积，有规则而均匀的孔道结构，这种特殊的结构表现出沸石具有较大的阳离子交换性和吸附能力，但由于沸石表面带负电荷，不能去除废水中的阴离子污染物，为了提高沸石处理污废水的能力，采用阳离子表面活性剂对沸石进行改性是目前环保研究者研究[4,5]的热点之一。

壳聚糖是由甲壳素在浓碱中脱去乙酰基而得到的可溶于酸性水溶液的聚氨基葡萄糖[6]，由于其具有无毒、可生物降解、环境友好等特点，在很多领域都得到广泛的应用研究[7-12]。采用十六烷甲基三甲基溴化铵（C16H33(CH3)3NBr,CTAB）嫁接改性的沸石可用于去除水中的 Cr(Ⅵ)[13]，As[14]，硝酸盐[15]，苯酚[16]，甲基橙[17,18]和印染废水的颜色[19]，对于垃圾渗滤液的脱色却未见文献报道。本文用十六烷基三甲基溴化铵和壳聚糖对沸石进行改性，探讨其对垃圾堆场渗滤液的脱色性能。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

AVATAR FTIR-330红外光谱仪，尼高力 （美）公司；V-1100D可见分光光度计，上海美谱达；UV-2051PC紫外可见分光光度计（日本岛津公司）。

沸石，自制；十六烷基三甲基溴化铵(AR,上海展云化工有限公司)；壳聚糖(山东奥康生物科技有限公司)；垃圾渗滤液，来自武夷山市垃圾堆场，实验前用0.45μm的滤纸过滤。

1.2 改性实验

将合成沸石在110℃干燥箱中烘干2h，取出冷却，分别称取冷却沸石10g，放入100mL浓度为10%的CTAB和壳聚糖中，30℃恒温振荡器振荡改性24h，取出并用去离子水反复洗涤，壳聚糖改性沸石洗涤至中性，CTAB改性沸石洗涤至中性并以AgNO3检验无Br-。

1.3 脱色实验

分取一定量的改性沸石投加至经预处理的垃圾渗滤液中，在25℃下恒温振荡吸附一定时间，静止，移取上清液用0.45μm的滤纸过滤，在最大吸收波长下测定其吸光度值，进一步计算色度去除率。

色度去除率S(%)按文献方法[20-22]计算：

A0是处理前废水在最大吸光度处的吸光度，Ai是处理后废水在最大吸光度处的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 沸石改性前后的红外光谱（FTIR）分析

未改性沸石、壳聚糖改性沸石及CTAB改性沸石的FTIR如图1所示。

图1 修饰前后沸石的IR谱图Fig.1 IR of the zeolite before and aftermodifiaction

波数在975cm-1的强烈吸收带为沸石本身Si-OSi骨架振动，而波数在452 cm-1为沸石中硅氧四面体和铝氧四面体的内部振动。由图1可见，沸石改性后其特征吸收带位置并未发生明显变化。壳聚糖改性后，在2917 cm-1和1413 cm-1处有两个较弱吸收峰，为季铵基团的－CH3的变形振动峰，表明壳聚糖分子的亲核中心氨基已经发生取代。与改性前的沸石相比，CTAB改性后，在2843 cm-1处增加一个归属于烷基的强的吸收峰，波数在1645 cm-1为N—C的伸缩振动，1483 cm-1处出现了季铵基团的-CH3的变形振动峰，波数在722 cm-1的吸收带为吸附在沸石表面的中C16H33(CH3)3N+的N—H弯曲振动，说明CTAB改性效果较好。

2.2 改性沸石对垃圾渗滤液脱色性能

2.2.1 沸石用量对垃圾渗滤液色度去除率的影响

图2显示了沸石用量对垃圾渗滤液色度去除率的影响。由图2可见，改性沸石的脱色能力明显得到提高，对垃圾渗滤液的脱色效果均优于未改性沸石。但当用量超过4.0 g/100mL时，去除率变化不明显，说明对渗滤液中的发色物质的吸附基本达到饱和。当沸石用量为4.0 g/100mL时，CTAB和壳聚糖改性沸石对渗滤液色度的去除率达分别达到75%和70%，远高于未改性沸石的50%。

图2 沸石用量对色度去除率的影响Fig.2 Effectof zeolite dosage on decolorization

2.2.2 溶液pH值对垃圾渗滤液色度去除率的影响

图3为初始pH值对垃圾渗滤液色度去除率的影响。由图3表明，在低pH值时，随着pH值的增大，脱色率升高。可能是因为沸石表面吸附了大量OH－，这些 OH－与染料分子中的－OH ，－SO3，－NH2，－COO 等发生氢键联结，增强了沸石的脱色能力。pH值继续增大，脱色效果反而下降趋势，这是因为渗滤液中的发色基团在水溶液中都以阴离子形式存在，碱性太强时，一方面水中OH－和发色基团阴离子在沸石表面竞争吸附[21]；另一方面由于沸石表面带有大量负电荷，产生静电斥力，妨碍了阴离子的吸附。因此，改性沸石适合脱色pH=7～8的渗滤液。

图3 pH对色度去除率的影响Fig.3 Effectof pH on decolorization

2.2.3 吸附时间对色度去除率的影响

图4为吸附时间对垃圾渗滤液色度去除率的影响。由图4可知，在吸附开始的一段时间内改性沸石的脱色率上升较快，以后慢慢趋于平缓。改性沸石的脱色率均高于未改性沸石，且CTAB改性沸石效果最好，50min处CTAB改性沸石与未改性沸石脱色率相差31%。在吸附反应40 min时CTAB和壳聚糖改性沸石的脱色率分别达到85.5%和78.6%，之后脱色率增幅减小，改性沸石对发色物质的吸附量基本达到饱和。

图4 吸附时间对色度去除率的影响Fig.4 Effectof adsorption time on decolorization

2.2.4 吸附温度对色度去除率的影响

图5为实验数据是在上述选定条件下进行的吸附温度对垃圾渗滤液色度去除率的影响。图5表明，改性沸石对垃圾渗滤液的吸附随着温度的升高而降低，说明吸附是一个放热过程。常温下可以达到较好的吸附。考虑实际的应用，吸附温度选择常温为宜。由图5可见：壳聚糖和CTAB采用4.0 g/100mL的浓度对沸石进行改性，调节垃圾渗滤液初始pH=7～8，在常温下搅拌吸附40min，壳聚糖和CTAB改性的沸石对垃圾渗滤液脱色率分别可以达到74.3%和81.5%。

图5 吸附温度对色度去除率的影响Fig.5 Effectof temperature on decolorization

3 结论

改性沸石的FTIR谱图表明，合成沸石的特征吸收带位置并未发生明显变化，CTAB中的－CH3已经在沸石表面发生取代，CTAB已复合进入了合成沸石中，改性沸石效果明显好于未改性沸石，并且CTAB改性效果优于壳聚糖。采用10%的壳聚糖和CTAB溶液，沸石用量4.0 g/100mL，垃圾渗滤液的初始pH为7～8，在常温下振荡吸附40 min的条件下，壳聚糖和CTAB改性沸石对垃圾渗滤液脱色率分别达到74.3%和81.5%。

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Research on Zeolite Modification and Its Decolorization in Trash Leachate

SONGWeijun ZHENG Ximing XIE Yu

(Higher Educational Key Laboratory for Green Chemical Technology of Fujian Province,Department of Environment and Architectural Engineering,Wuyi University,Wuyishan 354300)

Zeolite was modified using CTAB or Chitosan as modifier,and its decolorization performance toward trash leachate was studied.The results show that,after modification,decolorization capacity of the zeolite is significantly improved.The modified effect with CTAB as modifier is better than with Chitosan as modifier.The decolorization rate of trash leachate was up to 74.3%and 90.0%respectively using the Chitosan concentration of 10%and CTAB to modify the zeolite,under the condition of the pH from 7 to 8 and the zeolite dosage of 4.0 g/100mL.

zeolite;modification;decolorization performance;trash leachate

TQ424.23 X703.5

A

1674－2109(2011)05－0040－04

2011-09-25

南平市科技局项目（项目编号：N2009Z10-1）

宋卫军（1979-），男，汉族，讲师，主要研究方向：水污染领域的教学与研究工作。

郑细鸣，E-mail:zxsm70@tom.com