改性膨润土对印染废水中染料的去除效果研究

2014-06-07张镀光张泽乾

环境影响评价 2014年4期

张镀光张泽乾

张镀光张泽乾

以钠基膨润土为原料，以十二烷基三甲基氯化铵为改性剂，制得改性膨润土。研究了膨润土的最佳改性条件和改性膨润土用于结晶紫染料废水脱色的工艺条件，确定了改性膨润土的最佳制备条件：十二烷基三甲基氯化铵溶液浓度为1 g/L，制备温度为70 ℃，搅拌时间为20 min。结晶紫印染废水的最佳处理工艺条件为：改性膨润土投土量为15 g/L，pH值为8，搅拌时间为20 min。在此工艺条件下，十二烷基三甲基氯化铵改性膨润土对结晶紫染料废水脱色率可达85.4%。

改性膨润土；印染废水；结晶紫；吸附

印染废水具有颜色深，COD、BOD 值较高，含有多种有毒物质，组成复杂多变，治理难度大等特点。常用的处理方法有吸附法、化学氧化法和生物处理法等。其中吸附法主要用于预处理和深度处理[1]。由于吸附材料具有再生利用潜能，因而吸附发在实际生产中广为应用。常用的吸附材料有活性炭、粉煤灰、硅藻土及膨润土等。其中，膨润土具有很大的比表面积及表面能[2]，是去除染料等有机物的有效吸附材料。但天然膨润土具有膨胀性及悬浮性，在水介质中易分散呈胶体状态[3]，直接用于染料废水的处理效果很差，在使用前必须经过转型或改性等预处理。

本研究采用十二烷基三甲基氯化铵[4]对钠基膨润土进行有机改性，探讨膨润土的最佳改性条件和改性膨润土用于结晶紫染料废水脱色的最佳工艺条件，为改性膨润土在印染废水中的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：722S可见分光光度计、UV2600型紫外-可见分光光度计、离心机、恒温磁力搅拌器、电子恒温水浴锅、精密pH计、恒温干燥箱等。

试剂：钠基膨润土、十二烷基三甲基氯化铵、结晶紫、0.1 mol/L NaOH、0.1 mol/L HCl、去离子水。

1.2 实验用印染废水

称取0.002 g的结晶紫溶于水，转移至1000 mL容量瓶定容，制得2 mg/L的结晶紫染料[5]。通过紫外-可见分光光度计扫描，得其最大吸收波长为574 nm。用722S可见分光光度计测得其吸光度为0.251。

1.3 改性膨润土制备

向钠基膨润土中加入去离子水搅拌，再加入十二烷基三甲基氯化铵溶液混合，在恒温水浴锅中加热搅拌后过滤，在60 ℃下烘干滤饼并研磨，过100目筛，即得改性后的膨润土[6]。

1.4 改性膨润土静态吸附实验

在室温下，用上述改性膨润土处理结晶紫印染废水，探究pH值、搅拌时间、投土量3个因素对印染废水脱色率的影响。

实验时，取10 mL的结晶紫印染废水，加入改性膨润土后，调pH值，在磁力搅拌器上搅拌后沉淀，离心分离，取上清液，用分光光度计在574 nm处测定其吸光度，并由下式[7]计算脱色率η：

式中，A0为吸附前溶液的吸光度；A为吸附后溶液的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 改性膨润土最佳制备条件确定

取结晶紫印染废水10 mL，用改性膨润土处理使其脱色，投土量20 g/L，搅拌30 min，离心10 min，以脱色率为指标，考察十二烷基三甲基氯化铵溶液浓度、制备温度、搅拌时间3个因素对改性钠基土制备的影响。

2.1.1 十二烷基三甲基氯化铵溶液浓度对吸附性能的影响

设定制备温度为75 ℃，搅拌时间为30 min，取7个烧杯，分别用浓度为0.15、0.25、0.4、0.5、1、1.5、2 g/L的十二烷基三甲基氯化铵溶液制备改性膨润土，考察不同浓度十二烷基三甲基氯化铵溶液制备的改性膨润土对结晶紫染料的处理效果，结果见图1。

图1 十二烷基三甲基氯化铵溶液浓度对脱色率的影响

由图1可知，当十二烷基三甲基氯化铵溶液浓度小于1 g/L时，脱色率随其浓度的增加呈上升趋势；大于1 g/L后呈下降趋势；当浓度等于1 g/L时，脱色率最高，达到92.4%。因此，十二烷基三甲基氯化铵溶液最佳浓度为1 g/L。

2.1.2 制备温度对吸附性能的影响

设定十二烷基三甲基氯化铵溶液浓度为1 g/L，搅拌时间为30 min，考察50、60、70、75、80 ℃制备温度下改性膨润土的吸附效果，如图2所示。

图2 制备温度对脱色率的影响

由图2可知，当温度低于70 ℃时，随着温度的升高，脱色率逐渐上升；高于70 ℃时，脱色率开始逐步下降；最佳制备温度为70 ℃，此时脱色率为84.3%。这是因为温度较低时，十二烷基三甲基氯化铵未被膨润土有效吸附，随着制备温度的升高，其逐步被有效吸附，改性效果明显，脱色率增加；温度大于70 ℃时，其因温度过高而开始分解，脱色率随着加热温度的升高而减小。

2.1.3 制备时搅拌时间对吸附性能的影响

设定十二烷基三甲基氯化铵溶液浓度为1 g/L，制备温度为70 ℃，搅拌时间分别设置为7、10、15、20、25、30 min，考察其对吸附效果的影响，结果如图3所示。

图3 搅拌时间对脱色率的影响

由图3可知，脱色率随着搅拌时间的增加而增大，当搅拌时间达到20 min后，脱色率达到85.3%，此后增长缓慢，基本保持不变。此时十二烷基三甲基氯化铵与膨润土完全混合，被有效地吸附到膨润土中。因此，选择搅拌时间为20 min为宜。

2.2 改性膨润土最佳吸附工艺条件确定

2.2.1 废水pH值对脱色率的影响

取结晶紫溶液8份，分别用0.1 mol/L HCl 和0.1 mol/L NaOH调节废水pH值为3、4、5、6、7、8、9、10，然后各加入0.2 g改性膨润土，搅拌30 min，离心分离后吸取上清液，测其吸光度，结果如图4所示。

图4 废水pH值对脱色率的影响

由图4可知，随着废水pH值的升高，结晶紫废水的脱色率逐步提高。在pH为8时，脱色率达到最大，为85.1%。此后，随着pH值升高，脱色率开始下降。表明改性膨润土处理该结晶紫废水的最佳pH值为8。其原因是改性膨润土在弱碱性环境下离子交换与吸附性能最大，活性最佳。结合废水排放标准对pH的要求为6～9，选择pH值为8进行脱色最好。

2.2.2 搅拌时间对脱色率的影响

在pH为8的条件下，取8份结晶紫溶液，分别加入0.2 g改性膨润土，搅拌时间分别设定为5、8、10、15、18、20、25和30 min。完成后，离心分离并吸取上清液，测其吸光度，结果如图5所示。

图5 搅拌时间对脱色率的影响

结果显示，随着搅拌时间的增加，结晶紫废水的脱色率不断增大。开始阶段脱色率增长较快，往后逐渐降低，当搅拌时间达到20 min时，脱色率基本保持平衡，原因是反应进行一段时间后，吸附与解吸反应逐渐达到动态平衡，脱色率保持稳定，不再增加。因此，选择搅拌时间为20 min最佳。

2.2.3 投土量对脱色率的影响

在pH为8、搅拌时间为20 min的条件下，于8只烧杯中分别加入0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.15、0.18和0.20 g的改性膨润土及结晶紫印染废水10 mL，使其投加浓度分别为4、6、8、10、12、15、18和20 g/L，搅拌后离心分离，吸取上清液，测其吸光度，结果如图6所示。

图6 投土量对脱色率的影响

由图6可知，随着投土量的增大，结晶紫废水的脱色率不断增大，当膨润土的投土量为15 g/L时，脱色率基本达到最高值，为85.4%。继续增大投土量，脱色率增长不明显，考虑到处理费用，选择投土量为15 g/L较为适宜。

2.3 原始膨润土与改性膨润土处理印染废水对比研究

在印染废水的pH为8，吸附处理搅拌时间为20 min的条件下，取10 mL结晶紫溶液2份，按照投加量为15 g/L分别加入原膨润土和改性膨润土，比较两类膨润土的处理效果。结果显示，原始膨润土的除色率仅为49.5%，而改性膨润土的除色率达到了85.4%。改性膨润土处理印染废水的效果要明显优于原始膨润土。