大同膨润土对阳离子黄（X-8GL）染料废水脱色的实验研究

渠 汛，管俊芳，2，方 纪，李 晨，吕 灏，程飞飞（.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070）

大同膨润土对阳离子黄（X-8GL）染料废水脱色的实验研究

渠 汛1，管俊芳1，2，方 纪1，李 晨1，吕 灏1，程飞飞1
（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070）

以2种大同膨润土为脱色剂，通过其对阳离子黄X-8GL染料的脱色试验，探讨吸附时间、温度、膨润土的粒度、投加量、染料废水的初始pH、初始浓度对其脱色率和吸附量的影响，优化出最适宜的吸附条件，并研究其动力学和热力学。结果表明，在温度为25℃、染料初始pH=7的条件下，当膨润土投加量为0.5g·L-1、阳离子黄浓度为50mg·L-1时，1号和2号膨润土矿样对阳离子黄的脱色效果最好，其脱色率分别为94.85%、98.82%，吸附量分别为94.85mg·g-1、98.82mg·g-1。吸附更符合准二级动力学模型，与Langmuir吸附等温式的拟合性更好。吸附过程是自发的吸热反应，同时包含物理吸附和化学吸附，吸附后不易发生解析脱附。膨润土对X-8GL染料的脱色机理是表面吸附和离子交换吸附的共同作用。

大同膨润土；阳离子黄X-8GL；脱色作用；吸附动力学；吸附热力学

染料废水成分复杂、色度深、难以自然降解，已成为当今水体污染的重要来源之一［1］。采用黏土矿物为处理染料废水的吸附剂，具有来源广泛、应用范围广、成本低的优点［2-3］。肖子敬等［4］将膨润土制成多孔黏土材料，并用其对阳离子红X-GRL染料进行脱色处理。刘承帅等［5］考察了6种不同地区的膨润土原矿对阳离子染料亚甲基蓝的脱色作用。大量文献研究报道了膨润土对阳离子红、亚甲基蓝等阳离子染料的脱色作用，而对膨润土吸附阳离子黄则鲜有报道。论文采用2种大同膨润土原矿为吸附剂，处理阳离子黄X-8GL模拟废水，评价该膨润土对阳离子黄染料的脱色性能，为山西膨润土的资源化利用和染料废水的合理有效处理提供参考依据。

1　实验部分

1.1 试验用膨润土

将从山西大同市浑源县采集的2种膨润土原矿编号为1号和2号（1号为偏红色，2号为偏白色），2种膨润土的化学成分结果见表1，矿物组成及含量见表2。膨润土经破碎、混匀、缩分、研磨处理后，在温度为105℃的烘箱中烘2h左右，放置于干燥器中保存备用。

表1　膨润土的化学成分测试结果Table 1　The chemical composition of bentonite　　/%

表2　膨润土矿物组成及含量Table 2　The mineral content of Bentonite

1.2 模拟染料废水制备

用分析天平准确称取阳离子黄X-8GL（以下简称X-8GL）染料200mg，用去离子水溶解定容至1L，配制成200mg·L-1的染料母液，保存在棕色容量瓶中备用。根据具体试验情况再稀释为所需浓度，得到阳离子黄模拟染料废水。

1.3 脱色试验方法

分别称取0.074mm粒级一定质量的2种膨润土于250mL锥形瓶中，加入一定初始浓度的X-8GL溶液100mL，在25℃、140r·min-1水浴振荡器中反应一定时间，吸取锥形瓶上层溶液到离心管，离心分离5min，测其上清液吸光度。

2　结果与讨论

2.1 时间对脱色的影响

膨润土对X-8GL的脱色率随时间的变化曲线见图1。在40min内，膨润土对X-8GL的脱色率为线性关系，60min时2种膨润土矿样对X-8GL染料的脱色率基本一致，说明在这个时间吸附达到平衡，可确定为反应平衡时间。

图1　时间对X-8GL脱色率的影响Fig. 1　The effect of time on decolorization rate of X-8GL dye

2.2 投加量对脱色的影响

固定吸附时间为60min，在染料废水初始pH=7、室温（25℃）的条件下，X-8GL脱色率随膨润土投加量的变化曲线见图2。随着投加量由0.2g·L-1增加到0.5g·L-1，1号和2号膨润土矿样对X-8GL的脱色率分别由68.01%增加到94.86%，继续增大投加量到0.7g·L-1，X-8GL的脱色率基本保持不变，吸附量继续减小。可以确定2种膨润土矿样对X-8GL的最佳投加量都是0.5g·L-1。

图2　膨润土投加量对脱色率的影响Fig.2　The effect of bentonite dosage on decolorization rate

2.3 初始浓度对脱色的影响

固定膨润土的投加量为0.5mg·L-1，X-8GL染料废水初始浓度与脱色率的关系曲线见图3。当X-8GL的初始浓度从20mg·L-1增加到50mg·L-1，2号矿样对X-8GL的脱色率基本保持不变，维持在98%左右，1号矿样对X-8GL的脱色率从97.27%降低到94.86%，降低的幅度不大；继续增加初始浓度，其脱色率明显下降。在X-8GL初始浓度为50mg·L-1时，膨润土对X-8GL的吸附效果最好。

图3　X-8GL初始浓度对脱色率影响Fig. 3　The effect of initial dye concentration on decolorization rate

2.4 初始pH对脱色的影响

X-8GL初始溶液pH分别为2、4、6、7、8、10、12时，脱色率变化曲线见图4。X-8GL的脱色率在碱性条件下明显大于酸性条件；当pH＜6，膨润土矿样对X-8GL的脱色作用会受到抑制，这是因为加酸会抑制黏土矿的分散、膨胀和转移［6］，使其产生絮凝团聚作用。此外，在水溶液中的X-8GL染料分子以阳离子形式存在，pH较低时，有较多的H+包围在吸附剂矿物的表面，这些H+会与染料中的阳离子争相结合吸附剂表面的活性点位，从而对吸附脱色产生抑制作用，降低脱色率和吸附量；pH较高时，吸附剂表面带负电荷，由于静电引力作用，可以结合较多的阳离子［7-8］，有利于脱色反应的发生。若pH＞7，其脱色率基本不再变化，但会缩短吸附平衡时间。

图4　X-8GL初始pH对脱色率的影响Fig. 4　The effect of X-8GL initial pH on decolorization rate

2.5 温度对脱色的影响

不同温度条件下1号和2号膨润土对X-8GL染料的脱色率随时间变化的曲线见图5、图6。温度主要影响脱色反应的平衡时间，温度越高，完成吸附所用时间越短，但对最终的脱色率和吸附量并没有很大的影响。因此，在对X-8GL染料的脱色处理中，采用常温（25℃）即可。

图5　不同温度下1号样脱色时间-脱色率曲线Fig.5　The decoloration time - decolorization rate curve of No. 1 sample at different temperature

图6　不同温度下2号样对脱色时间-脱色率曲线Fig. 6　The decoloration time - decolorization rate curve of No. 2 sample at different temperature

2.6 适宜条件试验

2种膨润土对X-8GL的适宜条件及其脱色率和吸附量见表3。

表3　膨润土处理X-8GL染料的适宜条件Table3　The suitable test conditions of decolorization of cationic yellow dye by Bentonite

2.7 动力学和热力学研究

2.7.1 动力学模型

脱色反应的准一级、准二级、内扩散动力学［9］模拟参数见表4。表中qt为t时刻的吸附量，mg·g-1，q2为平衡吸附量，k1、k2为准一级、准二级反应速率平衡常数，R1、R2为相关系数。由表4可知，膨润土对2种染料的吸附动力学与准二级动力学模型拟合良好。

表4　膨润土吸附X-8GL的动力学模型参数Table 4　The parameters of kinetics model of adsorption of cationic yellow dye by Bentonite

2.7.2 等温吸附模型

膨润土处理X-8GL染料的Langmuir（L型）等温式、Freundiich（F型）等温式［10］模型参数见表5，表中Qo为理论最大吸附量，KL、KF为吸附常数，n为待定系数。由表5可知，膨润土对X-8GL染料的吸附等温线更符合L型，说明其脱色过程含有化学吸附，以单分子层的吸附为主。

表5　膨润土吸附X-8GL染料的等温模型Table 5　The parameters of adsorption isotherm model of X-8GL by Bentonite

2.7.3 热力学参数

膨润土吸附X-8GL染料的各项热力学参数见表6，吸附自由能△G＜0，吸附焓变0＜△H ＜40kJ·mol-1，熵变△S＞0，这说明膨润土对X-8GL染料的脱色过程是自发的吸热过程，反应过程不可逆，不易发生解析脱附［11］。

表6　膨润土吸附X-8GL的热力学参数Table 6　The parameters of thermodynamics of　decolorization of cationic yellow dye by Bentonite

2.8 吸附机理探讨

2种大同膨润土对X-8GL有良好的脱色作用，这是由膨润土中所含矿物的结构特征决定的。首先，蒙脱石的矿物颗粒外表面带有一定的可变负电荷，这些负电荷使其表面产生负电性，在溶液中容易和带正电性的阳离子染料之间发生电中和作用，从而使阳离子染料比较容易附着在膨润土表面形成表面吸附［12］；另外，膨润土表面羟基由于氢键和范德华力作用可以将染料分子吸附到表面和层间；其次，蒙脱石层间的阳离子具有交换性，容易与X-8GL染料分子（离子）发生离子交换作用［13］。

2种膨润土尽管矿物组成有较大的差异，但对阳离子染料X-8GL的脱色率和吸附量相近，这是因为尽管1号样蒙脱石含量低，但是含有片沸石，片沸石对阳离子染料［14］具有很好的脱色作用，1号膨润土对X-8GL染料的脱色是蒙脱石和沸石共同作用的结果。

3　结论

1）在常温（25℃）、中性（pH=7）的环境下，当2种大同膨润土投加量为0.5g·L-1、X-8GL染料废水浓度为50mg·L-1时，其脱色效果最好，1号、2号膨润土的脱色率分别达到94.85%、98.82%，吸附量分别为94.85mg·g-1、98.82mg·g-1。

2）膨润土对X-8GL染料的吸附动力学更符合准二级动力学和内扩散模型模型，吸附等温线均与Langmuir吸附等温式拟合性更好，吸附自由能△G ＜0，吸附焓变0＜△H＜40kJ·mol-1，吸附熵变△S＞0，说明膨润土对阳离子染料和直接染料的吸附过程是自发的吸热反应，以物理吸附为主，同时包含化学吸附作用，吸附过程不可逆，吸附后不易发生解析脱附。

3）不经任何加工的2种天然大同膨润土对X-8GL染料都具有优良的脱色作用，其脱色率均可达95%以上，可直接用于X-8GL染料废水的处理应用。膨润土对X-8GL染料的脱色机理是表面吸附和离子交换吸附的共同作用。

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Study of Decolorization of Cation Yellow X-8GL Dye Wastewater by Datong Bentonite

QU Xun1， GUAN Jun-fang1，2， FANG Ji1， LI Chen1， LYU Hao， CHENG Fei-fei1
（1..School of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China；2.Hubei Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment， Wuhan 430074， China）

Through the decolorization test of cationic yellow X-8GL by two kinds of bentonite from Datong， the effect of time，temperature， pH， bentonite dosage， the initial concentration of dye wastewater on decolorization rate and adsorption capacity were investigated， and the optimization of adsorption conditions were obtained. The result showed that at room temperature （25℃） and neutral （pH=7） environment， when the dosage of No.1 and No.2 bentonite was 0.5g/L and concentration of cationic yellow was 50mg/L， the decolorization was best， the decolorization rate of cationic yellow dye could reach 94.85%， 98.82% respectively， and the adsorption capacity was 94.85mg/g， 98.82mg/g， respectively. The adsorption process fitted pseudo-second order kinetic model and Langmuir isotherm better， it was endothermic reactions spontaneous， contained both physical adsorption and chemical adsorption， less prone to desorption. Adsorption mechanism of cationic yellow X-8GL dye was ion exchange and interaction surface physical adsorption.

Datong bentonite； cationic yellow X-8GL； decolorization； adsorption kinetics； adsorption thermodynamics

X 522；TQ 61；TD 985

A

1671-9905（2016）07-0018-04

渠汛（1991-），女，河南南阳人，在读硕士，主要从事矿物材料应用研究。E-mail：1558443728@qq.com

2016-05-20