凹凸棒石烧结硅藻土多孔陶器及吸附亚甲基蓝性能

匡 猛,王 平,罗秋云,韦仲华,韦宇洪,彭 虎,谢 亮

(1.江西理工大学材料科学与工程学院,赣州 341000；2.桂林新竹大自然生物材料有限公司,桂林 541004)



凹凸棒石烧结硅藻土多孔陶器及吸附亚甲基蓝性能

匡 猛1,王 平1,罗秋云1,韦仲华2,韦宇洪2,彭 虎1,谢 亮1

(1.江西理工大学材料科学与工程学院,赣州 341000；2.桂林新竹大自然生物材料有限公司,桂林 541004)

以硅藻土和凹凸棒石粘土为原料,烧结硅藻土/凹凸棒石多孔陶器。采用X射线衍射分析 (XRD) 和扫描电镜 (SEM) 等手段对样品进行表征,并从吸附亚甲基蓝性能评估材料对印染废水的吸附性能。结果表明：硅藻土和凹凸棒石粘土质量比为20∶80,850 ℃烧结得到样品保留有硅藻土多孔构造,凹凸棒石相转变为顽火辉石相；样品吸水率为41.12%,抗折强度为2.76 MPa以及收缩率为4.95%。对亚甲基蓝溶液吸附实验表明：样品对亚甲基蓝溶液有较好吸附效果,吸附量为3.634 mg/g。

硅藻土； 凹凸棒石； 多孔陶器； 亚甲基蓝

1 引 言

染料多为含多聚芳香环和偶氮键有机物,难降解并具有潜在毒性,属于难处理废水[1]。目前,处理染料废水主要有生物法、化学法和物理吸附法,其中物理吸附工艺简单,成本低廉,日渐成为热点[2]。物理吸附常用活性炭[3]、沸石[4]、膨润土[5]和埃洛石[6]等,但寻找廉价吸附剂仍是关键[7]。硅藻土是生物成因硅质沉积岩,具有质轻多孔、比表面大和化学性质稳定等特点,且资源丰富,极具应用潜力[8]；但硅藻土呈粉体状,易流失和堵塞反应器,故常与粘土烧结成多孔陶瓷,且烧结温度一般在1000 ℃以上[9,10]；但烧结温度超过1000 ℃,硅藻土多孔构造易坍塌和比表面降低[11]。凹凸棒石粘土 (凹土) 是链层状富镁铝硅酸盐矿物,其成陶温度约800 ℃[12],常被用作处理废水的多孔陶器而加以利用[13]。亚甲基蓝溶液 (MB) 是应用广泛的染料,易被固体吸附,常用作研究染料污水吸附对象[7]。本实验以硅藻土和凹土为原料,烧结硅藻土/凹凸棒石多孔陶器,研究其对MB吸附性能。

2 实 验

2.1 样品制备

实验用硅藻土来自吉林长白地区,经水法分散-干法分级后粉体d50=19.35 μm,比表面18 m2·g-1,SiO2含量85.14% (wt%,下同)；主要杂质4.31% Al2O3,0.98% K2O,0.54% Na2O,1.98% Fe2O3。凹土来自江苏盱眙,呈灰白色,SiO2含量61.57%,主要杂质9.24% Al2O3,5.38% Fe2O3,2.48%CaO,9.45% MgO。

硅藻土与凹土分别以质量比50∶50、40∶60、30∶70、20∶80、10∶90混合,球磨；按质量比1∶5的水料比加水,搅拌机搅拌2 h后陈化72 h,脱水至泥料含水率居于可塑范围内,制成标准样条 (10 cm×1 cm×1 cm),干燥,依照参考文献[12]凹凸棒石成陶温度,分别于800 ℃、850 ℃、900 ℃烧结2 h。

2.2 测试表征

样品抗折强度按GB/T 6569-2006测定；吸附MB按GB/T 12496. 10-1999测定。

样品X射线衍射表征用德国Bruker D8-F℃us型X射线衍射仪完成,Cu Kα射线,管电压40 kV,管电流100 mA,扫描速率4 °·min-1,扫描范围2θ=10°～50°。

样品微观形貌表征用日本日立S-3400型扫描电镜完成。

3 结果与讨论

3.1 烧结性能

图1是800 ℃、850 ℃和900 ℃烧结得到样品吸水率、收缩率和抗折强度随硅藻土含量变化曲线。如图所示,不同温度烧结得到样品随硅藻土含量减少,吸水率均逐渐下降但收缩率和抗折强度却稳步上升,且随温度升高而变化明显。另外,硅藻土含量为20%～30%,样品吸水率均出现平台,而且含量为30%时样品有轻微掉粉现象,为提高材料机械强度,故确定硅藻土和凹土比例为20∶80。

硅藻土具有遍布多孔结构的硅藻骨骼构造,故能吸附大量水分[8]；随着硅藻土含量减少,样品吸水率降低。烧结温度超过800 ℃,凹凸棒石结构被破坏并生成高温矿物[12],硅藻土表面亦出现熔融[11],有利于烧结,故收缩率和抗折强度均有所增加,但是样品机械强度依然稍低,样品表面有轻微掉粉；同时,硅藻土作为瘠性原料,在烧结过程中抑制凹凸棒石之间的粘结和物质传递过程；故随硅藻土含量减少,样品烧结程度变好,结构更加完善,所以收缩率和抗折强度均有不同程度增强。如图 (a)、(b) 和 (c),相同比例样品在不同温度烧结时,抗折强度变化率很小,但吸水率下降明显。

3.2 吸附MB性能分析

MB是应用广泛的染料,易被固体吸附,常被用作研究印染污水吸附对象[7]。按照GB/T 12496.10-1999测试样品吸附MB性能 (CMB=10 mg/L,pH=7)。结果如图2所示：

如图,不同温度烧结样品对MB吸附量均随硅藻土含量增加而增大直至饱和,且烧结温度越高,吸附量越小。硅藻土具有多孔构造,因而能较有效吸附MB[14],故样品中硅藻土含量增加而吸附量亦增加,直至样品孔隙率达到饱和,吸附量也趋近稳定,这与样品烧结性能相映照。烧结温度超过800 ℃,硅藻土比表面积随烧结温度升高而降低[11],故样品于800 ℃烧结时,对MB吸附量最高。综合烧结性能和吸附MB性能分析,本实验确定实验条件850 ℃烧结2 h (硅藻土∶凹土=20∶80)。

图1 样品烧结性能Fig.1 The sintering properties of samples

图2 样品吸附MB性能Fig.2 Adsorption MB capacity of sample

图3 不同煅烧温度下样品XRD谱图Fig.3 XRD patterns of samples calcined under different temperature

3.3 显微结构分析

图3 是不同温度烧结样品 (硅藻土∶凹土=20∶80) XRD图。如图,未烧结样品以石英和凹凸棒石为主；经800～850 ℃烧结,凹凸棒石特征衍射峰逐渐变弱直至彻底消失,并开始出现高温矿物-顽火辉石,表明结构整体有序性消失,凹凸棒石晶格结构完全破坏重组,这与陈天虎等[12],研究结果相似。经900 ℃烧结,顽火辉石 (610) 特征衍射峰明显增强,表明烧结程度变好,晶粒长大,结构更加完美。凹凸棒石转变为顽火辉石和石英,反应方程如 (1) 式：

Mg5Si8O20(OH)2→5MgSiO3+3SiO2+H2O

(1)

凹凸棒石向顽火辉石转变过程中,硅氧四面体链发生断裂,生成石英并游离于晶格之外,生成的水分蒸发消失；另外,一部分Mg2+与非桥氧键合成Mg-O,另一部分Mg2+与桥氧键合成顽火辉石Mg2[Si2O6]；在此期间镁硅比由2∶3 变成2∶2。

图4是850 ℃烧结样品 (80%凹土+20%硅藻土) SEM图片。如图a～c可见,硅藻土颗粒被凹土包覆,样品内出现明显烧结现象；硅藻土多孔结构发生细微变化,硅藻骨骼边缘融化变形,圆筛藻表面开始熔融,这与郑水林等[11],研究结果相似；如图,圆筛藻周围出现一定量玻璃相,但硅藻骨骼仍保留有较为完整多孔构造,从而具有较强吸附性能,成功解释材料高吸水率的现象。

图4 850 ℃烧结样品SEM照片Fig.4 SEM images of sample sintering at 850 ℃

4 结 论

(1) 硅藻土∶凹土的质量比为20∶80,烧结温度为850 ℃时,制备出硅藻土/凹凸棒石多孔陶器吸水率为 41.12%,抗折强度为2.76 MPa和收缩率为4.95%；对MB有较好吸附效果,吸附量为3.634 mg/g;

(2) 800 ℃烧结时,凹凸棒石结构被破坏并生成高温矿物-顽火辉石,有助于促进烧结过程。

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Preparation of Diatomite/Palygorskite Porous Ceramics and Performances of Adsorption Methylene Blue

KUANGMeng1,WANGPing1,LUOQiu-yun1,WEIZhong-hua2,WEIYu-hong2,PENGHu1,XIEliang1

(1.School of Material and Chemical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China;2.Guilin Xinzhu Natural Functional Material Co. Ltd.,Guilin 541004,China)

Diatomite and palygorskite porous ceramics were prepared from diatomite and palygorskite by sintering method. The structures and micrographs of specimens were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The ability of adsorption dye wastewater was measured by adsorptions of methylene blue from aqueous solution. The results of experiment show that diatomite/palygorskite porous ceramics was prepared from diatomite and palygorskite of mass ratio was 20∶80 and sintered at 850 ℃ has optimal performance, it water adsorption was 41.12%, flexural strength was 2.76 MPa and shrink rate was 4.95%. Some porous structure of diatomite were retained, the phase of enstatite has been transformed from palygorskite. The phenomenons of adsorption experiment show that sample had better adsorption effect of methylene blue solution and adsorbed amount was 3.634 mg/g.

diatomite;palygorskite;porous ceramic;methylene blue

国家自然科学基金项目 (41062002)；江西省科技厅资助项目 (2008212)；江西省教育厅资助项目 (GJJ08287)

匡 猛(1991-),男,硕士研究生.主要从事环境材料等方面研究.

王 平,博士,教授.

TQ424.22

A

1001-1625(2016)09-2986-04