磁性膨润土的制备及性能

胡立华

（广东工业大学土木与交通工程学院广东广州510006）

磁性膨润土的制备及性能

胡立华

（广东工业大学土木与交通工程学院广东广州510006）

由于磁性膨润土在外加磁场下可以实现处理废水后的快速分离，采用化学共沉淀法制备磁性膨润土，通过正交试验来确定磁性膨润土的最佳制备条件，并对其进行了红外线吸收光谱、X射线衍射进行表征。研究了磁性膨润土对于Zn2+、Cu2+的去除，确定了吸附Zn2+、Cu2+的最佳反应时间和最佳投药量。实验表明制备的磁性膨润土吸附去除Zn2+、Cu2+的最佳反应时间分别是15min和15min。最佳投药量分别是1.2g/L和1g/L，去除率分别是94.54%和86.57%。

磁性膨润土；去除率；废水处理

膨润土的基本性能是由蒙脱石的特殊的结构性质所决定的。如吸附性、脱色性以及阳离子交换性等，所以广泛用于各个工业领域。近年来，磁性载体技术在各个领域飞速发展。和传统其他技术比，磁性载体技术克服了一些传统分离手段的局限性。特别是磁性载体技术在治理废水这方面的研究也越来越深入。Oliveira等制备出吸附重金属离子的沸石磁性复合材料[1]。通过调研知，炼钢厂附近水体中的Cu2+和Zn2+的浓度分别接近20mg/L和25mg/L。

1　实验部分

1.1磁性膨润土的制备

按Fe2+和Fe3+不同的摩尔比称取一定量的FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O溶解于水中,加入适量膨润土，搅拌均匀后，在超声波清洗器超声1h，在60℃、70℃、80℃恒温磁力搅拌，在期间不间断的滴加0.5mol/L的NaOH的溶液直到溶液pH=11，然后继续磁力搅拌30min。于70℃的水浴内晶化1h、2h、4h，过滤并用去离子水洗漆产物至中性，70℃恒温干燥箱干燥后研磨备用。

1.2正交试验

1.2.1以重金属Zn2+去除率为指标的正交试验

称取在不同条件下制备的样品0.05g，分别加入9个盛有100mL，25mg/L的ZnSO4溶液的锥形瓶中，在恒温振荡器上，振荡30min，过滤，取上清液，采用锌试剂分光光度法测定上清液中锌离子的浓度。

表1　去除Zn2+的正交试验

通过正交试验表计算知：

去除以Zn2+为目标污染物的制备条件的排列顺序是：n（Fe2+）：n（Fe3+）＞反应温度＞晶化时间＞土与铁混合物的质量比。

从而得出了最佳的制备条件：n（Fe2+）：n（Fe3+）=1:2，反应温度为80℃，晶化时间为2h，土和铁混合物的质量比是1:2，从而制备了磁性膨润土（B）。

1.2.2以重金属Cu2+去除率为指标的正交试验

称取在不同条件下制备的样品0.05g，分别加入9个盛有100mL，20mg/L的CuSO4溶液的的锥形瓶中，在恒温振荡器上，振荡30min，过滤，取上清液，采用2，9-二甲基-1，10-菲啰分光度度测定上清液中铜离子的浓度。

表2　去除Cu2+的正交试验

通过正交试验表计算知：

去除以Cu2+为目标污染物的制备条件的排列顺序是：n（Fe2+）：n（Fe3+）＞反应温度＞晶化时间＞土与铁混合物的质量比。

从而得出了最佳的制备条件：n（Fe2+）：n（Fe3+）=1:2，反应温度为80℃，晶化时间为2h，土和铁混合物的质量比是1:1，从而制备了磁性膨润土（A）。

1.3样品的测试

1.3.1XRD分析

图1　原土和磁性膨润土（A）和磁性膨润土（B）的XRD图

从图2中，M代表蒙脱石，S代表石英，T代表四氧化三铁。对比原土（A）和两种不同配比的磁性膨润土（B）和（C）可以看出，磁性膨润土中保留了膨润土的结构，说明采用化学共沉淀制备过程中，膨润土固有的结构没有被破坏。在（B）和（C）中，磁性膨润土的XRD中在2θ为29.94°、35.88°和43.56°处的衍射峰，对应四氧化三铁的特征衍射峰[2]。此外在20.92°、41.94°、59.88°处也出现了相对较弱的衍射峰。XRD图中，没有发现其他铁的氧化物的特征峰，证明与膨润土结合的是四氧化三铁。

1.3.2红外线分析

从图3中可以看出：原土与磁性膨润土（A）和磁性膨润土（B）谱线的变化趋势大致一样。

在1637cm-1处的吸收峰归因于水分子的弯曲振动两条谱线都在1036cm-1附近存在强吸收峰是Si-O伸缩振动吸收峰，在624cm-1处的吸收峰对应的是成对的Si-0以及A1-0外层吸收峰。在521cm-1附近存在的吸收峰的为Al-0-Si的弯曲振动吸收峰，但与磁性膨润土的FT-IR图对比，可以发现：624cm-1处的吸收峰消失了。上述的种种结果，证明了氧化铁颗粒和膨润土颗粒之间可能形成氧化铁/膨润土共价键，此外，由图知，合成的磁性膨润土仍有着膨润土的基本硅酸盐骨架[3]。

图2　原土与磁性膨润土（A）和磁性膨润土（B）的FT-IR图

1.4磁性膨润土对Cu2+和Zn2+的吸附实验

1.4.1吸附Cu2+和Zn2+最佳投加量

称取不同量的相对应的磁性膨润土，用移液管分别量取100mL，20mg/L的含Cu2+的废液和100mL，25mg/L的含Zn2+的废液[4]。在恒温振荡器上搅拌，反应30min，用磁铁将磁性膨润土吸附在锥形瓶底部，然后取出清液分析Cu2+和Zn2+的含量[5-6]，变化曲线如图4所示。

从图4中可以看出，在吸附Cu2+的变化曲线中，当投加量达到1g/L时，去除率是86.57%。当投加量达到1.2g/L时，去除率可以达到89.51%。不难看出当投加量达到1g/L后，去除率的变化不大。这主要是因为，随着投药量增大，其提供的吸，最后

达到1可以附位点的总量也变大，能够吸附的Cu2+也多，当吸附饱和后趋于平衡。故最佳投加量为1g/L。

在吸附Zn2+的变化曲线中，当投加量.1g/L时，去除率是88.83%。当投加量达到1.2g/L时，去除率达到94.54%。当投加量达到1.3g/L时，去除率可以达到97.72%。可解释为，随着投药量增加，其提供的吸附位点的总量变大，当吸附饱和后，趋于平衡。故最佳投加量是1.2g/L。

图3　投加量的变化曲线

1.4.2去除Cu2+和Zn2+最佳反应时间

称取相对应的磁性膨润土，在二者的最佳投加量下，用移液管分别量取100mL，20mg/L的含Cu2+的废液和100mL，25mg/L的含Zn2+的废液。在恒温振荡器上搅拌，用磁铁将磁性膨润土吸附在锥形瓶底部，每5min取样一次，然后取出清液分析Cu2+和Zn2+的含量变化曲线如图4所示。

图4　反应时间的变化曲线

从图4中可以看出，吸附Cu2+和Zn2+反应，在反应15min后，去除率基本不变。故最佳反应时间确定为15min。因为反应时间太短，土与重金属不能充分接触，所以去除率较低，但随着反应时间的增加，去除率也相应升高，但变化幅度不大。因为磁性膨润土的量一定，其提供的吸附位点的总量是一定的，在一定的时间里，当这些吸附位点被占据后，吸附过程基本完成，即达到饱和，随后不会随着时间的变化而变化。

2　结语

2.1以钠基膨润土为原料,在FeCl2·4H2O、FeCl3·6H2O混合溶液中用NaOH调节负载铁的氧化物及干燥等步骤,制备磁性膨润土,表征分析可知膨润土表面负载的是四氧化三铁。

2.2通过Cu2+和Zn2+的吸附实验，确定最佳反应时间分别是15min和15min，确定最佳投药量分别是1.2g/L和1g/L。

2.3磁性膨润土在水处理中，可以在外加磁场下，快速从水体中分离出来，解决了粉末状的膨润土不易分离的难题，且制备的工艺简单。

[1]Oliveira C A，Rios R V，Fabris J D，et al.Clay-iron oxidemagnetic compositesfortheadsorptionof contaminantsinwater[J].Appl Clay Sci，2003，22（4）167-177.

[2]Hu J,Shao D D,Chen C L，et al.Plasma-induced grafting of cyclodextrinontomultiwall carbon nanotube/iron oxides for adsorbent application[J],Journal ofPhysical ChemistryB,2010,114:6779-6785.

[3]Eren E，Gumus H,Characterization of the structural properties and Pb(II)adsorptionbehaviorofironoxidecoatedsepiolite[J].Desalination，2011,273:276-284.

[4]郭燕妮，方增坤，胡杰华,等.化学沉淀法处理含重金属废水的研究进展.工业水处理,2011-12:9-12.

[5]邹照华,何素芳,韩彩芸,等.重金属废水处理技术研究进展.工业水处理,2010-5：9-12.

[6]石启英,王书民,李凯斌,等.阴离子β-CD磁性微球吸附Zn2+影响因素的探讨.工业水处理,2015-3：22-25.

广东省教育部产学研项目（2012B090400030）。

胡立华，广东工业大学在读硕士。