改性膨润土对印染废水中染料的吸附效果研究

周洋凯, 罗 义, 李延博, 国艳红, 李士波, 周亚凯

(1.河北建筑工程学院 能源与环境工程学院 河北 张家口 075000;2.天博电子信息科技有限公司 山东 青岛 266000)

偶氮染料广泛应用于纺织品、印染、皮革和塑料等行业，偶氮染料废水COD浓度高、成分复杂、色度大，处理投资大等特点，不经处理直接排入水体对环境危害严重，因此找到一种便捷、较低成本的方法处理印染废水显得极为迫切。甲基橙由氨基苯磺酸经重氮化后与N，N-二甲基苯胺耦合而成，可用于模拟偶氮染料废水的处理。

吸附法具有投资小、方法简便、成本低的特点，适用于中小型印染废水的处理。传统吸附法采用活性炭，活性炭对阳离子染料、酸性染料和活性染料等水溶性染料具有较好的吸附性能，去除水中溶解性有机物也非常有效，但是不能去除水中的胶体疏水性染料，活性炭再生困难、费用高[1]。膨润土因其比表面积大、有良好的吸附性能、无毒无色，且价格低、容易获得，与传统的吸附剂活性炭相比具有选择性好、容易再生，广泛的应用与处理废水中的有机污染物和重金属等领域[2,3]。

膨润土对水中有机物的吸附机理包括物理吸附和化学吸附。吸附的强弱与比表面积密切相关，比表面积越大，吸附容量也越大[4]。通过不同改性剂处理后的膨润土，其吸附机理也不同。本文通过膨润土高温焙烧后，与铝盐活化对膨润土进行改性，通过高温焙烧减少膨润土结构中水膜对污染物的吸附阻力，提高吸附性能，铝盐活化后膨润土表面生成大量结构复杂的微孔，吸附能力增强，吸附印染废水中染料甲基橙，具有良好的处理效果。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

紫外—可见分光光度计(UV9100)、分析天平、电磁加热搅拌器、真空干燥箱、傅里叶变换红外光谱仪、红外光谱仪、电热鼓风干燥箱，膨润土，以及AlCl3·6H2O、氢氧化钠、盐酸；甲基橙。

1.2 实验步骤

1.2.1 膨润土的提纯与纳化 取一定量的天然膨润土原矿经破碎、100目筛分后，溶于水中强力搅拌、静置，取上层悬浮液，离心过滤，烘干，烘干得到提纯土。取提纯膨润土配成悬浊液，加入NaCO3作为纳化剂，恒温搅拌、离心取悬浮液经烘干后研磨、120目筛分，得到纯纳化土。

1.2.2 铝交联膨润土吸附剂的制备 称取一定量的纯纳化土制成悬浮液，边搅拌边滴入铝交联剂，直至混合液出现浑浊，静置沉降并过滤，在恒温条件下烘干，即得到铝交联膨润土吸附剂[5]。

1.2.3 吸附试验 制备100mg/L改性膨润土标准溶液备用。取50ml甲基橙溶液，调节PH=6.0，加入一定量的改性膨润土标准溶液，恒温搅拌20min，取其上清液测得上清液吸光光度值为A，测得未加入改性膨润土的吸光光度值为A0。计算脱色率：

η=(1-A/A0)×100%

A0：未加改性膨润土的吸光光度值。

A：加入改性膨润土的吸光光度值。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱衍射分析

对原土和改性膨润土进行红外光谱分析，提纯土和实验土的红外光谱图详见下图。

图1 提纯土红外光谱图

图2 改良土红外光谱图

由图1中提纯膨润土的红外光谱图可知，在3600cm-1和3700cm-1处为M-OH(M为金属离子)中羟基的振动吸收峰[5]；在1600cm-1为膨润土层间水分子的伸缩振动吸收峰，说明膨润土中含有少量自由吸附水[6]；1049cm-1处的吸收峰为膨润土层间Si-O-Si的伸缩振动吸收峰。由图2的实验土红外谱线图表明：在3696cm-1和3619cm-1处为O-H伸缩带[7]；在1470cm-1聚苯胺链上苯式环的特征吸收峰，而苯环的面内弯曲振动特征吸收谱带和聚苯胺链上N-H键的特征吸收峰因被膨润土的特征吸收峰掩盖并未显示出来，但是所有的特征吸收峰均向低频方向移动[8]。通过实验土的红外光谱图谱可以判断复合体系中含有掺杂态的聚苯胺和膨润土。

2.2 改性膨润土与原土吸附性能的比较

图3 改性膨润土与原土投加量对废水吸附性能影响

取相同浓度的甲基橙溶液100ml于锥形瓶中并编号，分别加入50mg改性膨润土与原土，在恒温条件下调节PH到6.0，搅拌速率180r/min，搅拌30min分别测定原土与改性膨润土的吸光光度值为A1、A2并绘制相应的吸光光度曲线见图3。由图3可知，改性膨润土对印染废水中的甲基橙吸附能力显著高于原土的吸附能力，投加量在20g/L-25g/L时达到最佳吸附能力，铝交联改性膨润土对甲基橙染料的最高吸附率达到92%，随着改性改性膨润土的投加量增大导致印染废水再次浑浊，影响吸附效果。原土随着投加量的增大，对印染废水的吸附量增大，达到60%以后膨润土的继续投加对吸附结果影响变化较小，继续增大投加量会引起浑浊现象，影响吸附效果。

由图3可知随着改性膨润土的投加量的增加，改性膨润土对印染废水的处理效果在20-25g/L达到理想状态，继续投加膨润土对后续印染废水处理产生影响。

2.3 吸附温度对改性膨润土吸附性能的影响

图4 温度对废水吸附性能影响

固定搅拌速率180r/min，搅拌30min，分别取100mg/L甲基橙溶液100ml于锥形瓶中，控制温度分别为0，10，20，30，40，50，60℃，调节废水PH值为7.0，改性膨润土投加量为20g/L，测定吸光光度值见图4。

由图4可知，铝联交联膨润土的吸附速率随着温度的升高吸附速率降低，在0℃时处理效果最好，脱色效率可达到92.2%。吸附剂与流体相平衡时,它的吸附量可表示为qe=f(T,C)，其中T表示温度c表示浓度。当固定温度或浓度时，平衡吸附量就是浓度或温度的单值函数；若T保持不变，即为吸附等温线。由Langmuir等温式可知，铝交联膨润土的吸附性能随着温度的增加导致吸附性能的降低。考虑实际情况，在实验处理废水的最佳温度为20-40℃。

2.4 废水PH值对处理效果的影响

控制温度20℃，分别取100mg/L甲基橙溶液100ml于锥形瓶中，取铝交联膨润土4g，搅拌速率恒定为180r/min，搅拌30min，取1mol/L的HCl和1mol/L的NaOH调节废水PH值，PH值对甲基橙溶液吸附量详见下表，不同PH值对甲基橙脱色率的影响，测得废水PH值与甲基橙脱色率的曲线详见图5。

pH对吸附量的影响

图5 pH值对废水吸附性能影响

图6 处理时间对废水吸附性能影响

由图5可知，溶液初始PH对吸附效果在5-9之间时，改性膨润土对甲基橙的吸附量从140下降到120，改性膨润土对甲基橙的吸附量随着PH的增加降低，但考虑到废水PH值的降低。活性染料是一种可溶性的阴离子染料，其分子结构中含有大量的-SO3-基团，在酸性环境下，-SO3-基团的质子化效应增强，使得染料分子中大量的-SO3-基团以-SO3H形式存在，从而使吸附量增强。但考虑到后续印染废水的处理效果，处理废水的最佳PH值应控制在6-8左右为宜,方便后续印染废水的处理。

2.5 处理时间对处理效果的影响

在上述得出的条件下，测定铝联交化膨润土对甲基橙脱色效果的影响，绘制时间的影响对甲基橙脱色速率的曲线如图6所示。

由图6可知，随着时间的增加，铝联交化膨润土对甲基橙的吸附量加大，在第6分钟时达到最佳状态。2-6分钟搅拌时间的增加甲基橙的吸附量由72.7%增加到95.4%，随着时间的增加，甲基橙的吸附量达到平衡，后续的搅拌会使甲基橙的吸附速率下降，与其他吸附剂相比较铝交联膨润土能使吸附效果迅速达到平衡，因此处理最佳时间为10-15分钟。

3 结 论

综上所述，膨润土具有吸附率高、速度快、价格低等特点，对印染废水有较好的处理效果。铝交联膨润土与原土相比较吸附能力明显增强，综合以上关系确定铝交联膨润土的用量、吸附温度、PH值、处理时间等因素有关。确定最佳投加量20mg/L，温度为20℃-40℃，PH值为6.0-8.0，处理时间为10-15min，此时甲基橙的脱色速率可达95%以上，对印染废水有良好的处理效果。为后续其他废水的处理具有一定的知道作用。但是目前膨润土对废水的处理尚处于实验阶段，所以后续的大量工作应经过系统地研究，将膨润土的研究结果应用于实际生产处理印染废水。