膨润土有机改性及吸附性能研究

王启强，彭龙贵

（1.绵阳职业技术学院，四川绵阳621000；2.西安科技大学，西安710054）

施工、设备与材料

膨润土有机改性及吸附性能研究

王启强1，彭龙贵2

（1.绵阳职业技术学院，四川绵阳621000；2.西安科技大学，西安710054）

结合天然膨润土的层状结构以及阳离子型表面活性剂的正电性和疏水性，以十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）为改性剂，制得有机阳离子改性膨润土。研究了有机改性膨润土投加量、pH值、吸附时间及吸附温度对甲基橙模拟废水脱色率的影响。试验结果表明：有机改性膨润土的投加量为4 g/L，吸附时间为40 min，废水pH值为6.0，吸附温度为35℃时，有机改性膨润土对甲基橙模拟废水的脱色率可以达到98.1%。

膨润土；改性剂；甲基橙；吸附

水处理剂产品、生产用原料、反应试剂的绿色化，以及水处理剂生产反应方式和生产反应条件的绿色化，己成为工业科学的重点研究开发方向［1－2］。目前，国际先进的水处理剂正向高效能、低毒无公害、多功能、复合化的绿色产业方向发展。膨润土作为来源广泛、无毒、无二次污染、廉价易得的绿色水处理材料，在水处理行业应用非常广泛［3］。天然钙基膨润土可以直接用来制备有机膨润土，省去膨润土钠化过程，有利于节省生产成本。本研究采用正交试验法研究有机膨润土的制备工艺，利用有机膨润土对模拟印染废水进行吸附处理，探讨吸附时间、有机膨润土的投加量、废水pH值、废水初始浓度及吸附温度等因素对模拟废水的脱色效果。

1 材料与方法

1.1 试剂及仪器

钙基膨润土（工业级）；十六烷基三甲基溴化铵（AR）；甲基橙（AR）；TU－1901型紫外分光光度计。

1.2 膨润土的改性

采用正交试验法对膨润土改性工艺进行研究，利用湿法工艺制备有机膨润土，将十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）配制成一定浓度的溶液，加入经活化的钙基膨润土悬浮液，在70～90℃温度下反应70～90 min，冷却至室温，用水洗去未反应的CTMAB后离心沉淀，在60℃下干燥约8 h，最后研磨粉碎得到样品，考察有机膨润土对甲基橙的吸附效果。

1.3 吸附性能测试

采用甲基橙模拟印染废水，配置甲基橙初始质量浓度为100 mg／L。

室温下准确称量一定量的有机膨润土，加入至甲基橙废水中，搅拌一定时间后沉淀8 h，取上层清液，用紫外分光光度计在470 nm处测定其吸光度，并由下式计算脱色率η：

式中：A0、A——废液处理前、后的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 膨润土有机改性结果

有机膨润土制备过程［4］主要有4个影响因素，温度、时间、改性剂投加量和pH值。利用正交试验法制备有机膨润土，选择L9（34）正交试验表进行试验，因素水平、正交试验结果分别如表1、表2所示。

表1 因素水平Tab.1Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交试验结果分析Tab.2Results of orthogonal experiment

由表1和表2可以看出，有机膨润土制备过程中的4个控制条件对试验结果的影响程度如下：反应温度＞改性剂用量＞体系pH值＞反应时间。最佳改性方案是：A2B1C3D2。经试验验证，最终确定优化方案是：反应温度为80℃，反应时间为70 min，改性剂投加量为5.5 g，体系pH值为8。制备有机阳离子改性膨润土常用钠基膨润土，反应更易进行，常温下也可反应，本研究选用天然钙基膨润土在较高温度下进行改性，脱色率最高可达86.7%，说明天然钙基膨润土可直接用来制备有机膨润土［5］。

2.2 废水pH值对脱色效果的影响

取甲基橙溶液50 mL，有机膨润土投加量为0.5 g，在室温下考察pH值对有机膨润土吸附甲基橙的影响，结果如图1所示。

图1 废水pH值对脱色效果的影响Fig.1 Effect of wastewater pH value on decolorization rate

由图1可以看出，随着废水pH值升高，有机膨润土对甲基橙废水的脱色率提高，在pH值为6.0时，脱色率达到最大，为94.0%。此后，再升高废水的pH值，脱色率反而下降。当溶液呈碱性时，由季铵离子参与构成的有机土层间结构比较稳定；同时，甲基橙在溶液中的离子性也较强，有利于阳离子在层间对甲基橙产生亲合作用。酸性条件下，溶液中的H＋会在一定程度上交换有机土层间的季铵离子，结果就必然导致部分有机膨润土发生变性，此时有机膨润土的亲油疏水性下降，对甲基橙的吸附能力降低［6－7］。考虑到废水pH值的排放标准（pH=6～9），故选择pH值为6.0进行废水脱色处理。

2.3 有机膨润土投加量对脱色效果的影响

取甲基橙溶液50 mL，调节pH值为6.0，在室温下考察有机膨润土投加量对甲基橙脱色率的影响，结果如图2所示。

图2 吸附剂用量对脱色效果的影响Fig.2Effect of adsorbent dosage on decolorization rate

由图2可以看出，随着有机膨润土投加量的增加，甲基橙模拟废水的脱色率不断增大，当投加量为0.20 g时，脱色率达98.3%。膨润土属于多层结构体系，在对有机物进行吸附时满足多层共吸附机理［8］，当有机膨润土投加量较少时，其吸附容量有限，使得大量的有机物仍在水溶液中不被吸收；随着有机膨润土投加量增加，吸附饱和后，溶液中呈自由运动的有机物浓度越来越小，溶液中有机物的浓度不再随有机膨润土投加量的增加而变大，趋于恒定［7－9］；同时过多的有机膨润土会因为难以沉淀而悬浮在溶液中，影响脱色率的测定结果。因此，有机膨润土投加量为4 g／L时脱色效果最好。

2.4 吸附时间对脱色效果的影响

取甲基橙溶液50 mL，调节pH值为6.0，有机膨润土投加量为0.2 g，在室温下考察有机膨润土在不同的吸附时间下对甲基橙脱色率的影响，结果如图3所示。

图3 吸附时间对脱色效果的影响Fig.3Effect of adsorption time on decolorization rate

由图3可以看出，脱色率随着吸附时间的延长呈上升趋势，在60 min时，有机膨润土对甲基橙溶液的吸附达到最大，脱色率为97.3%。60 min后，随着时间的延长脱色率的增加幅度很小，说明此时吸附达到平衡。利用CTMAB对膨润土进行改性后，有机阳离子进入膨润土的层间，增大了膨润土的层间距，有利于甲基橙的吸附，吸附初期由于空间比较大，吸附速度较快，当吸附一定时间后，有机膨润土的吸附量达到饱和状态，逐渐降低了吸附速度，最终趋于稳定［8－9］。

2.5 吸附温度对脱色效果的影响

取甲基橙溶液50 mL，调节pH值为6.0，有机膨润土投加量为0.2 g，吸附时间为60 min，考察有机膨润土在不同吸附温度时对甲基橙脱色率的影响，结果如图4所示。

图4 吸附温度对脱色效果的影响Fig.4Effect of adsorption temperature on decolorization rate

由图4可以看出，随着吸附温度的升高，有机膨润土对甲基橙模拟废水的脱色率逐渐增大，当温度升高到35℃时，脱色率达到最大值98.1%；之后则开始降低。有机膨润土之所以能对甲基橙产生吸附作用，主要缘于其层间季铵离子上连接的十六烷基有机基团与甲基橙之间的亲合作用，但这种作用是分子间作用，作用强度有限。因此，随着温度的升高，甲基橙的热运动能力逐渐增强，有机膨润土与甲基橙间的分子间作用力下降，从而导致脱色率降低［10－12］。

3 结论

（1）正交试验表明，利用有机阳离子对膨润土进行改性的最佳条件是：反应温度为80℃，反应时间为70 min，改性剂投加量为5.5 g，体系pH值为8。

（2）吸附试验结果表明，在甲基橙初始质量浓度为100 mg／L，吸附时间为40 min，有机膨润土的投加量为4 g／L，废水pH值为6.0，吸附温度为35℃的条件下，有机膨润土对甲基橙的脱色率可以达到98.8%。

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Study on organic modification of bentonite and its adsorption performance in wastewater

WANG Qi-qiang1，PENG Long-gui2
（1.Mianyang Polytechnic,Mianyang 621000,China;2.Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054,China）

Based on the stratified structure of natural bentonite and the positive electricity and hydrophobic property of cationic surfactant,with hexadecyl trimethyl ammonium bromide(CTMAB)as the modifier,organic cation modified bentonite was prepared.The influences of organic modified bentonite,pH value,adsorption time, and adsorption temperature on decolorization rate of stimulated methyl orange wastewater were studied.The results of the test showed that,when the dosage of organic modified bentonite was 4 g/L,the adsorption time was 40 min,the pH value of the wastewater was 6.0,the adsorption temperature was 35℃,the decolorization rate of the simulated methyl orange wastewater by the said modified bentonite could reach 98.1%.

bentonite;modifier;methyl orange;adsorption

X703.5

A

1009－2455（2016）06－0051－03

王启强（1987-），男，陕西岚皋人，助教，硕士，主要从事膨润土改性及水处理相关的研究，（电子信箱）460377579@ qq.com。

2016-07-22（修回稿）

四川省教育厅资助项目（15ZB0410）