改性膨润土对甲醛吸附性能的研究

钱克宇，黄永兰，李 铭

(扬州工业职业技术学院 化学工程学院，江苏 扬州 225127)



改性膨润土对甲醛吸附性能的研究

钱克宇，黄永兰*，李 铭

(扬州工业职业技术学院 化学工程学院，江苏 扬州 225127)

甲醛具有挥发性强、毒性大等特点，已成为不容忽视的空气污染物之一。以天然钙基膨润土为原料，先进行钠化改性，然后用十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)为改性剂制备高吸附性能的有机膨润土，并用其对甲醛进行吸附研究。结果表明，在最佳投加量4 g、吸附时间90 min、吸附温度25 ℃条件下，钠化膨润土和有机改性膨润土对甲醛的去除率分别最高可达94.4%和96.8%。

改性膨润土；十六烷基三甲基溴化铵；甲醛；吸附

甲醛为较高毒性的物质，已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质。目前，国内外治理甲醛的方法主要有光触媒技术、高压电负离子技术、空气负离子技术、酸碱中和法、生化处理法以及吸附法。其中，前5种方法能耗高，容易二次污染，处理成本较高；而吸附法适用于几乎所有的挥发性有机化合物，且具有脱除效率高、富集功能强、不易造成二次污染等优点[1]。所以，本文采取改性膨润土对甲醛进行吸附性能研究。

膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的天然矿物，根据膨润土的矿物组成及性质可将膨润土分为钙基膨润土和钠基膨润土。在自然界，以钙基膨润土为主(占总储量80%)，兼有钠基膨润土、氢基膨润土和铝基膨润土。因膨润土层间易发生不等价阳离子置换而产生永久性负电荷，并具有很大的表面积[2-3]，被广泛应用于医药、钻井、石油、化工、轻工、纺织、造纸、环境治理等领域。膨润土的改性及其在环境污染控制和修复中的应用已成为国内外研究热点之一[4]。本研究用十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)对膨润土进行改性，期望为去除室内和废水中的挥发性有机化合物甲醛的实际应用问题提供一定的参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料：天然钙基膨润土；氯化钠、CTMAB、4-氨基-3-联氨-5-巯基-1，2，4-三氮杂茂(AHMT)、乙二胺四乙酸二钠、氢氧化钾、高碘酸钾、氢氧化钠，均为分析纯。

主要仪器：大气采样器，恒温振荡箱，可见分光光度计，电子天平。

1.2 改性膨润土的制备

1) 膨润土钠化：取一定量的原钙基膨润土于烧杯中，加一定的蒸馏水配成泥浆，加适量氯化钠，加入相当于钙基膨润土质量5%的碳酸钠，搅拌，再加入蒸馏水，使其固液质量比1∶10。在90 ℃的恒温水浴中连续搅拌反应1 h，离心机分离悬浮液，去掉上清液，在105 ℃下干燥至恒重。研磨过100目(150 μm)筛，粉碎后得白色粉末状的钠质膨润土，装袋备用。

2) 膨润土有机改性：称取10 g钠化膨润土，用蒸馏水配成质量分数为5%的悬浮液，然后加2 g阳离子表面活性剂十六烷基三甲溴化铵，在25 ℃的恒温条件下振荡1 h，过滤、洗涤和抽滤，85 ℃恒温烘干。在105 ℃对产物进行活化，研磨，过100目(150 μm)筛后得到有机改性膨润土，装袋备用。

1.3 实验方法

取一定量的有机改性膨润土于自制的装置中，加入1 mL的甲醛溶液(质量分数为20%)，密闭。然后，置于恒温箱中，于一定温度下放置一段时间，通过大气采样器测定装置内的甲醛浓度。

1.4 分析测定

甲醛气体浓度的测定采用GB/T 16129-1995《居住区大气中甲醛卫生检验标准方法-分光光度法》(AHMT法)。

2 结果与讨论

2.1 装置中甲醛初始浓度的确定

在没有放置改性膨润土的实验装置中，加入1 mL的甲醛溶液，密闭。然后，置于25 ℃恒温箱中，每隔0.5 h通过大气采样器测定装置内的甲醛质量浓度。结果见图1。

图1 25 ℃下无膨润土装置内甲醛质量浓度随时间的变化曲线

由图1可知，在25 ℃没有放置膨润土情况下，装置内的甲醛质量浓度基本在2 h左右达到一定的稳定饱和质量浓度0.116 mg/L，以此值为甲醛初始质量浓度。所以，每次实验开始，先将1 mL的甲醛溶液放入装置，25 ℃恒温箱中静置2.5 h，取出甲醛溶液。

2.2 影响因素的考察

2.2.1 改性膨润土用量对吸附效果的影响

分别取1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 g的钠化膨润土和有机改性膨润土于实验装置中，25 ℃下放置1 h，通过大气采样器测定装置内的甲醛浓度并计算去除率。改性膨润土用量对甲醛吸附效果的影响见图2。

图2 25 ℃下改性膨润土用量对甲醛吸附效果的影响

由图2可知，钠化膨润土和有机改性膨润土对甲醛都有良好的吸附性能。随着改性膨润土用量的增加，气体中甲醛的去除率也变大。这是因为，当吸附剂用量较少时，吸附剂没有足够的吸附容量，甲醛分子不能与吸附剂充分接触，降低了去除效果。当吸附剂量增加时，能提供更多有效吸附点，去除效果得到显著提升。而有机改性膨润土对甲醛的吸附效果优于钠化膨润土，可能是因为土壤有机质的“相似相溶”，甲醛通过分配作用进入土壤有机质中。在本实验条件下，有机改性膨润土用量为4 g时，吸附效果较好。在相同实验条件下，用4 g钙基膨润土对甲醛进行吸附研究，其去除率只有36.8%。可见，改性膨润土的吸附性能明显高于钙基膨润土。

2.2.2 时间对吸附效果的影响

分别取4.0 g的钠化膨润土和有机改性膨润土于实验装置中，25 ℃下分别放置15、30、60、90、120、180 min，通过大气采样器测定装置内的甲醛浓度并计算去除率。不同吸附时间下改性膨润土对甲醛吸附效果的影响见图3。

图3 25 ℃下不同吸附时间对甲醛吸附效果的影响

由图3可知，钠化膨润土和有机改性膨润土对甲醛的去除率随着时间的延长而逐渐增大。在0 min～60 min，有机改性膨润土对甲醛的去除率增加十分明显，到90 min时达到最大值。这是因为，有机改性膨润土吸附甲醛先是表面吸附，吸附较快，且吸附量大；随后，转变为层间吸附，吸附减慢，去除率增加的幅度变缓，直至达到吸附平衡[5]。在本实验条件下，有机改性膨润土吸附甲醛的最佳时间为90 min，此时可认为吸附已经达到平衡。

2.2.3 吸附温度对吸附效果的影响

分别取4.0 g的钠化膨润土和有机改性膨润土于实验装置中，分别于15、20、25、30、40、60、80 ℃下放置90 min，通过大气采样器测定装置内的甲醛浓度并计算去除率。吸附温度对去除率的影响结果见图4。

图4 不同吸附温度对去除效果的影响

由图4可知，随着温度的升高，钠化膨润土对甲醛的去除率逐渐增大，但增大幅度不大。这是因为，温度的升高会使分子运动加剧，令气体的活性增加，有利于气体的扩散，气体更加容易渗透到膨润土的孔隙当中，从而使吸附量增加；而有机改性膨润土去除率在25 ℃时达到最大值，再升高温度，去除率反而下降，可知其吸附反应为放热过程。考虑到实际气体的处理，选择有机改性膨润土的吸附温度为25 ℃。

3 结论

1) 通过对膨润土进行改性，吸附性能明显改善。

2) 在多因素下探索最佳吸附条件，最佳投加量4 g、吸附时间90 min、吸附温度25 ℃，钠化膨润土和有机改性膨润土对甲醛的去除率分别最高可达94.4%和96.8%。

[1] 陈秋禹，田飞，冯俊，等.微波辐射改性有机膨润土对甲醛吸附性能的影响[J].石河子大学学报：自然科学版，2015，33(3)：346-350.

[2] 史兵方，左卫元，仝海娟.改性膨润土对水体中多环芳烃的吸附[J].环境工程学报，2015，9(4)：1680-1686.

[3] 孙银霞，李新然，任宗礼.复合改性膨润土的制备、表征及吸附性能研究[J].兰州交通大学学报，2015，33(3):175-180.

[4] 王大卫，邵红，刘相龙，等.PDMDAAC改性膨润土的制备及吸附性能[J].沈阳化工大学学报，2015，29(1)：18-22.

[5] 林涛，付玥，徐永建，等.改性膨润土的制备与表征及对松香酸的吸附性能研究[J].造纸科学与技术，2015，34(3)：49-53.

山西化工

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Study on adsorption of modified bentonite for formaldehyde

QIAN Keyu,HUANG Yonglan*, LI Ming

(College of Chemical Engineering, Yangzhou Polytechnic Institute, Yangzhou Jiangsu 225127, China)

Formaldehyde has become one of the air pollutants that not allow to be ignored because of its strong volatility and high toxicity. The natural calcium base bentonite was used as experimental material, sodium modification was carried out and then hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTMAB) was used as organic modification to prepare high adsorption performance of the formaldehyde. The results showed that the best condition for adsorption was that the optimum dosage was 4 g, the adsorption time was 90 min, the adsorption temperature was 25 ℃, the removal rate of Na bentonite and organic modified bentonite was 94.4% and 96.8%. This results could provide technical reference for the practical application in removing volatile organic compound formaldehyde in wastewater and the indoor.

modified bentonite; hexadecyl trimethyl ammonium bromide; formaldehyde; adsorption

2016-05-04

扬州工业职业技术学院大学生科技创新基金项目(ykc201512)

钱克宇，男，1996年出生，应用化工专业。

科研与开发

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2016.05.02

TQ424；X511

A

1004-7050(2016)05-0006-03

*通讯作者：黄永兰，女，1981年出生，2006年毕业于南京理工大学，硕士，讲师，从事污染治理研究工作。