ZSM-5沸石分子筛吸附模拟废水中对苯二酚的研究

2014-10-17李君华

应用化工 2014年7期

张丹，李君华

(辽宁工业大学化学与环境工程学院，辽宁锦州 121001)

对苯二酚，又名氢醌，是重要的有机中间体，作为一种常见的工业污染物，具有极强的生物毒性，成人误服1 g，会出现头痛、恶心、窒息等，皮肤接触可引起皮炎使皮肤色素脱失［1-2］。含酚废水是工业有机废水中最普遍具有代表性的一类，即使在低浓度下对人体及微生物也有毒害作用。因此，如何有效治理含对苯二酚的废水，减少环境污染，具有重要的现实意义。吸附法经常被用于去除水中的有机污染物［3-7］，与传统的吸附剂相比较，ZSM-5沸石分子筛孔容积和空隙率较大，具有较强的吸附能力。因此本文选用ZSM-5沸石分子筛作为吸附剂，研究其对水中对苯二酚的吸附性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

正硅酸乙酯、四丙基氢氧化铵、偏铝酸钠、对苯二酚、氢氧化钠、硫酸均为分析纯;实验用水均为去离子水。

SHA-CA水浴恒温振荡器;UV757CRT721型紫外可见分光光度计。

1.2 ZSM-5的合成与表征

称取0.29 g偏铝酸钠置于锥形瓶中，加入21 mL蒸馏水搅拌溶解后，再加入15 mL四丙基氢氧化铵至透明，最后缓慢加入11.2 mL正硅酸乙酯，搅拌约5 h得一清液，将此清液转入聚四氟乙烯反应釜中于160℃水热晶化140 h，晶化结束后将产物过滤、洗涤、干燥、550℃马弗炉焙烧后，所得白色粉末即为ZSM-5。

所得ZSM-5沸石分子筛的XRD谱图见图1，所得材料为典型的ZSM-5沸石分子筛。

图1 ZSM-5沸石分子筛的XRD谱图Fig.1 XRD spectra of ZSM-5 zeolite molecular sieve

1.3 吸附实验

称取0.050 0 g对苯二酚，用去离子水溶解并定容于1 000 mL容量瓶中，配制质量浓度为50 mg/L的模拟废水，摇匀、静置。取50 mL C0=50 mg/L的模拟废水于锥形瓶中，加入0.4 g ZSM-5，调节pH=6，放入恒温振荡器中振荡60 min，取上层清液采用紫外可见分光光度计在290 nm处分析对苯二酚的含量。利用下列公式计算去除率(E):

式中 C0——对苯二酚起始质量浓度，mg/L;

Ce——吸附后对苯二酚剩余质量浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 吸附时间对吸附的影响

取5个锥形瓶分别加入50 mL模拟废水(C0=50 mg/L)，并分别加入ZSM-5沸石分子筛0.5 g，pH值为7.0，设置振荡器的温度为35℃，振荡时间分别为 30，45，60，90，120 min，离心分离，离心后测其吸光度，并计算对苯二酚的去除率，吸附时间与去除率的关系曲线见图2。

由图2可知，随着吸附时间的延长，对苯二酚的去除率逐渐升高，60 min时去除率达到65.64%，继续延长吸附时间，去除率几乎不变。这是由于废水中的对苯二酚初始浓度大，ZSM-5沸石分子筛吸附点位周围有很高浓度的对苯二酚，吸附速率大于解吸速率，所以开始时去除率上升，达到吸附平衡后，废水中对苯二酚的浓度变化不大，趋于平稳。

图2 吸附时间对吸附对苯二酚的影响Fig.2 Effect of adsorption time on adsorption of hydroquinone

2.2 吸附剂用量对吸附的影响

取5个锥形瓶分别加入50 mL模拟废水(C0=50 mg/L)，向其中分别加入 0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 g的ZSM-5沸石分子筛，设置振荡器的温度为35℃，振荡时间为60 min，pH值为7.0。离心分离，离心后测其吸光度，并计算去除率。投加量与去除率的关系曲线见图3。

图3 吸附剂用量对吸附的影响Fig.3 Effect of adsorbent amount on adsorption of hydroquinone

由图3可知，对苯二酚的去除率随着吸附剂使用量的增加而逐渐升高，当吸附剂用量为0.4 g时，对苯二酚的去除率达到65.78%;继续增大吸附剂用量，去除率变化不大。这是由于在溶液浓度一定时，吸附剂用量少，吸附的活性位少，使得对苯二酚的去除率也较低，随着吸附剂使用量的逐渐增加，吸附活性位也增多，去除率也逐渐增大，但是当吸附剂为0.4 g时，吸附活性位已经足够多，能够对50 mg/L的对苯二酚进行很好的吸附，此时吸附几乎已经达到平衡，再继续增加吸附剂用量，对吸附效果影响不大。所以，最佳的吸附剂用量为0.4 g。

2.3 温度对吸附的影响

取5个锥形瓶分别加入50 mL模拟废水(C0=50 mg/L)，并分别加入ZSM-5沸石分子筛0.4 g，在恒温振荡器中振荡时间为60 min，pH值为7.0，调节振荡器的温度为 25，30，35，40，45，50 ℃，然后离心分离，离心后测其吸光度，并计算对苯二酚的去除率。吸附温度与去除率的关系曲线见图4。

图4 吸附温度对吸附的影响Fig.4 Effect of adsorption temperature on adsorption of hydroquinone

由图4可知，随着温度的升高，去除率先上升后下降，在35℃时去除率达到最大。原因可能是开始时ZSM-5沸石分子筛对对苯二酚的吸附主要是化学吸附，所以吸附速率随着温度的升高而加快，之后，ZSM-5沸石分子筛对对苯二酚的吸附主要是物理吸附，并且随着温度的升高吸附性能降低。因此，最佳温度为35℃。

2.4 p H值对吸附的影响

分别加入质量浓度为50 mg/L的模拟废水50 mL于 5个锥形瓶中，用1 mol/L的硫酸和1 mol/L的氢氧化钠调节 pH 值分别为4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，加入 0.4 g ZSM-5 沸石分子筛，设置振荡器的温度为35℃，振荡时间为60 min，然后离心分离，离心后测其吸光度，并计算去除率。pH值与去除率的关系曲线见图5。

图5 pH值对对苯二酚吸附的影响Fig.5 Effect of pH value on adsorption of hydroquinone

由图5可知，对苯二酚溶液的pH值直接影响着ZSM-5沸石分子筛的吸附。当溶液4＜pH＜8时，去除率随着pH值的变化出现一个峰值。在pH值为6.0时，去除率最大，达到了68.28%。这可能是由于在酸性较高的条件下，由于 H+较多，会占据ZSM-5沸石分子筛的吸附点位，对苯二酚的吸附减少，去除率较低;当溶液为碱性时，对苯二酚解离的多，以阴离子形式存在而不利于ZSM-5沸石分子筛对对苯二酚的吸附，所以有一个最佳的pH值。