CTMAB-膨润土和HDBAC-膨润土吸附去除水中酚类有机污染物

王闻捷，虞 卉，陈 晨，郑凯琳，杨超颖，徐立恒

(中国计量学院 环境工程系，浙江 杭州 310013)



CTMAB-膨润土和HDBAC-膨润土吸附去除水中酚类有机污染物

王闻捷，虞 卉，陈 晨，郑凯琳，杨超颖，徐立恒

(中国计量学院 环境工程系，浙江 杭州 310013)

针对水中酚类有机污染物的去除，十六烷基二甲基苄基氯化铵(HDBAC)和十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)为改性剂在制备了两种有机膨润土(HDBAC-Bent和CTMAB-Bent)，并以红外光谱和扫描电子显微镜对有机膨润土的结构进行表征.同时，考察了有机膨润土对单一和复合污染体系中苯酚和2-萘酚的吸附性能，研究发现两种有机膨润土对2-萘酚的吸附能力远远大于对苯酚的吸附，在两种有机物共存时，2-萘酚的吸附受苯酚影响很少，而苯酚的吸附显著受到抑制.

膨润土；吸附能力；有机污染物；水处理

0 引 言

水是一切生物赖以生存的基本物质.随着现代化工业的快速发展，水资源受到的污染日趋严重，已经成为全球各国关注的环境问题.目前，传统的处理工艺并不能对污水中的难降解持久性有机物污染物如有机氯、有机农药、燃料、酚类化合物、多氯联苯、多环芳烃、环境干扰素等[1,2]进行高效有效的处理，因此迫切需要开发针对持久性有机污染物的高效处理方法.吸附法是污水处理中常用的一种高效节能的处理方法，吸附剂的性能是决定吸附处理效果的重要控制因素，为此设计开发高效吸附剂至关重要.

膨润土由于独有的片层结构及其稳定的物理性质和化学性质，被国内外学者视为良好的吸附剂材料.通过有机、无机等不同方法对膨润土进行改性获得改性膨润土，其对废水中的重金属、农药、染料等具有良好的吸附效果[3-6].研究发现，改性剂的结构是影响改性膨润土对水中污染物吸附能力的重要因素[7-10]，深入探讨改性膨润土的吸附特性与改性剂结构之间的关系对设计开发高效的膨润土吸附剂有重要的指导意义.本文以十六烷基二甲基苄基铵(HDBAC)和十六烷基三甲基溴化(CTMAB)作为改性剂制备改性膨润土，研究其对水中酚类有机污染物的吸附性能，探讨在单一和复合污染条件下改性膨润土的吸附行为，以期为水污染治理吸附提供参考.

1 实验方法

1.1 材料与仪器

膨润土为钙基膨润土，其阳离子交换容量(CEC)为1.084 mmol/g，研磨打碎经100目筛后存贮备用.十六烷基二甲基苄基氯化铵(C25H46NCl)、十六烷基三甲基溴化铵(C19H42BrN)、苯酚(C6H5OH)、2-萘酚(C10H8O)均为分析纯试剂，购自百灵威.分子结构及分子量(见表1).

表1 各物质化学名称、结构式及分子量

1.2 有机膨润土的制备和结构表征

向400 mL超纯水中加入8.64 mmol改性剂(CTMAB或HDBAC)，待充分溶解后，向溶液中加入10 g膨润土，25℃、200 r/min条件下振荡6 h后过滤去除上清液；将改性膨润土用去离子水洗涤至无氯离子检出，放置65 ℃烘干，研磨过100目筛备用.制得的有机膨润土依据使用的改性剂，分别标记为CTMAB-Bent和HDBAC-Bent.

膨润土样品的红外光谱采用Nicolet NEXUS红外光谱仪(美国热电)测定，透射光谱，扫描范围400～4000 cm-1.采用SU1510扫描电镜(Hitachi,日本)对样品粉末进行扫描获得扫描电镜(SEM)图像.

1.3 吸附性能试验

将0.02 g有机膨润土(CTMAB-Bent或HDBAC-Bent)加入装有20 mL已知浓度的苯酚或2-萘酚的单一溶液(或已知浓度配比的苯酚和2-萘酚的混合溶液)中，25 ℃、200 r/min条件下振荡3 h至吸附平衡.4 000 r/min下离心15 min后，取上清液测定溶液中剩余污染物浓度，计算有机膨润土对苯酚(2-萘酚)的吸附量.

(1)

式中：q—有机膨润土对目标污染物的吸附量，mg/g;

C0—初始溶液中污染物的浓度，mg/L；

Ce—处理后上清液中污染物的浓度，mg/L；

V—溶液的体积，L；

m—投加的有机膨润土质量，g.

有机污染物浓度采用高效液相色谱仪(AgilentTechnologies1 260Infinity)测定，流动相组成为甲醇 ∶水(v∶v)=65 ∶35，紫外检测器，检测波长270 nm.

2 结果与讨论

2.1 有机膨润土的结构

采用红外光谱技术对制备的有机膨润土样品进行表征，结果(见图1).由图可见，与原土的红外光谱相比，CTMAB-Bent和HDBAC-Bent样品的红外光谱在2 825 cm-1和2 925 cm-1有两组显著的红外吸收峰，这是改性剂(CTMAB和HDBAC)分子结构中-CH2和-CH3伸缩振动带来的典型吸收峰；在HDBAC-Bent样品的红外光谱中，3 030 cm-1和3 080 cm-1波段有两组小峰，这是HDBAC分子中取代苯环带来的典型吸收峰.由此可知，膨润土经改性后成功得到了有机膨润土.

图1 有机膨润土的红外光谱图

图2是有机膨润土和原土样品的扫描电镜(SEM)图，从图中可以清晰的看到膨润土的片层结构.经改性剂改性后，有机膨润土依旧保持完整的片层结构，改性剂分子成功进入到膨润土结构内部.

图2 有机膨润土和膨润土原土的扫描电镜图

2.2 有机膨润土对酚类污染物的吸附性能

有机膨润土CTMAB-Bent和HDBAC-Bent对水中典型酚类污染物苯酚和2-萘酚的吸附情况(见图3).由图可见，在相同浓度范围内，有机膨润土对2-萘酚的吸附性能远高于对苯酚的吸附性能.膨润土经有机改性剂改性以后，有机改性剂层间域从而形成疏水性区域，因此在疏水性相互作用的推动下对疏水性强的有机物有较强的吸附性能.辛醇-水分配系数(Kow)是衡量有机物疏水性的常用参数，2-萘酚的lgKow值为2.71，显著高于苯酚的lgKow值(1.46)，表明其较强的疏水性，这也是2-萘酚在两种有机膨润土上具有较高吸附性能的主要原因.

由图3可以看出，有机膨润土对2-萘酚和苯酚的吸附除吸附量有显著差距以外，吸附等温线的形式也明显不同.在实验浓度范围内，苯酚的吸附等温线基本呈线性，而2-萘酚的吸附等温线明显的非线性.Langmuir等温吸附模型是常用的非线性吸附模型，其表达式为：

(2)

式中：Qe—有机膨润土对目标污染物的吸附量，mg/g；

Qmax—最大吸附量，mg/g；

Ce—处理后上清液中污染物的浓度，mg/L；

K—吸附系数，L/mg.

线性等温吸附模型也是一种常见的吸附模型，其表达式为：

Qe=KdCe

(3)

式中：Qe—有机膨润土对目标污染物的吸附量，mg/g；

Ce—处理后上清液中污染物的浓度，mg/L；

Kd—吸附系数，L/mg.

分别以Langmuir等温吸附模型和线性吸附模型对2-萘酚和苯酚在有机膨润土上的吸附情况进行拟合，拟合结果(见图3)，相应的拟合参数(见表1).可见，Langmuir模型和线性模型对2-萘酚和苯酚在有机膨润土上的吸附情况拟合非常良好，相关系数均在0.98以上，能够很好的描述两种有机污染物的吸附.

图3 有机膨润土对2-萘酚和苯酚的等温吸附

对于2-萘酚，HDBAC-Bent的吸附能力显著大于CTMAB-Bent，其最大吸附容量为308.2mg/g，超过CTMAB-Bent最大吸附容量的2倍.这可能是由于HDBAC分子中的苯环结构使得HDBAC-Bent层间有机相的性质具有一定的方向性，与萘酚分子的萘环具有显著的π电子相互作用.苯酚的亲水性较强，其在HDBAC-Bent和CTMAB-Bent的吸附能力接近，其吸附系数Kd分别为0.160 3和0.186 2，CTMAB-Bent的吸附能力略优.

3.2 有机膨润土在复合污染体系中的吸附性能

实际废水体系多是多种污染物共存，共存污染物之间在吸附时可能存在相互促进、抑制等各种相互作用，从而影响水处理的实际效果.为此，研究复合污染体系中吸附剂的吸附行为对研究吸附机理、指导实际应用具有重要意义.本文以2-萘酚和苯酚两种酚类有机物为代表，考察复合体系中有机膨润土的吸附吸能，结果(见图4).

在2-萘酚和苯酚复合污染体系中，HDBAC-Bent和CTMAB-Bent两种有机膨润土对2-萘酚依然保持较高的吸附能力，远远高于对苯酚的吸附，2-萘酚是优先吸附的吸附质.同时可以发现，2-萘酚的等温吸附线与单一污染体系中2-萘酚的吸附等温线几乎重合，共存的苯酚对其吸附影响甚小.复合体系中苯酚在有机膨润土上的吸附明显受到共存2-萘酚的影响，由图4可见，复合体系中苯酚在HDBAC-Bent和CTMAB-Bent的吸附量明显低于单一污染体系中的吸附量，2-萘酚的存在对苯酚的吸附产生了一定的抑制作用.此外，对比HDBAC-Bent和CTMAB-Bent两种膨润土对复合污染体系中苯酚的吸附情况，不难看出CTMAB-Bent的吸附受2-萘酚的抑制更显著.

图4 有机膨润土在复合污染体系中的等温吸附

3 结 论

本文分别以表面活性剂CTMAB和HDBAC为改性剂制备有机膨润土，并考察了其对单一和复合污染体系中苯酚和2-萘酚的吸附性能.结果表明，HDBAC-Bent对2-萘酚的吸附效果优于CTMAB-膨润土；两种有机膨润土对2-萘酚的吸附性能均明显高于对苯酚的吸附；在苯酚和2-萘酚的复合体系中，2-萘酚优先于苯酚被有机膨润土所吸附，2-萘酚的存在抑制了苯酚在有机膨润土中的吸附.

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Adsorption Removal of Phenols from Water by CTMAB-Bent and HDBAC-Bent

WANG Wen-jie, HUI Yu, CHEN Chen, ZHENG Kai-lin, YANG Chao-ying, XU Li-heng

(Department of Environmental Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310013, China)

Aiming to the removal of phenols from water, organobentonites (HDBAC-Bent and CTMAB-Bent) were fabricated with HDBAC and CTMAB as modifiers, and their structure were characterized with FTIR and SEM. The adsorption capacities of organobentonites towards phenols from single-solute and bi-solute system were studied. It was found that the adsorption ability of the two organobentonites towards 2-naphthol was remarkably higher than that towards phenol. In the bi-solute system, the adsorption of 2-naphthol was hardly effected by coexisted phenol, while the existing of 2-naphthol dramatically reduce the adsorption of phenol. Comparing to CTMAB-Bent, the adsorption ability of HDBAC-Bent towards 2-naphthol was much higher.

bentonite; adsorption; organic contamination; water treatment

2015-04-29

浙江省大学生科研创新活动计划资助项目(2014R409014)

王闻捷(1992-)，男，浙江台州人,硕士研究生，研究方向：水中有机污染物的处理技术.

TU43

A

1008-536X(2015)09-0033-05