天然沸石对染料的吸附研究

2020-08-03阳柠灿邱木清

绿色科技 2020年12期

徐明，阳柠灿，邱木清

(1.浙江德创环保科技股份有限公司，浙江绍兴 312000；2.绍兴文理学院生命科学学院，浙江绍兴 312000)

1 引言

染料工业产生的废水对我国的水环境造成了严重的污染。这些染料废水成分复杂、浓度高、颜色深、难降解物质多且含有多种具有生物毒性的有机物，因此该类废水难以采用常规处理方法有效经济地进行治理。含染料废水进入水体后，即使在浓度很低时，也能严重影响视觉效果，而且能吸附和反射进入水体中的阳光，妨碍细菌生长和干扰水中生物的光合作用，最终导致水体生态系统的破坏。因此，染料工业废水的综合治理问题已经成为当今国内外环境科学界急需解决的一大难题[1～4]。

沸石可分为天然沸石和人工合成沸石两大类。人工合成沸石主要用作催化剂，其应用研究已经较为深入。天然沸石是1756 年瑞典矿物学家A F Cronsted 首先发现的，因其具有优于合成沸石的热稳定性、耐酸性、耐辐射性，以及成本低、储量大等特点，已成为当今世界各国极为重视的新兴矿产资源，并越来越受重视。

我国是一个天然沸石资源丰富的国家。现已发现的天然沸石产地主要分布在我国21个省市、自治区，共有沸石岩石产地150 多处。据不完全统计，目前沸石年产量在800万t左右。沸石是沸石族矿物的总称，在地壳中分布广泛，是一种含水的碱金属或碱土金属的架状结构的硅铝酸盐。现已发现的天然沸石约40 多种，常见的有：斜发沸石、毛沸石、丝光沸石、辉沸石、片沸石和菱沸石等。其内部含有许多孔穴和通道，沸石具有巨大的比表面积(400～800 m2/g)，且沸石构架上的平衡阳离子与构架结合得不紧密，极易与水溶液中的阳离子发生交换作用，因而沸石具有良好的吸附、交换性能。目前天然沸石在水和废水处理中具有广泛应用前景[5～9]。

本文为了探讨天然沸石对染料的吸附行为，对溶液的pH值、吸附时间、吸附剂用量、染料的浓度等影响吸附的因素进行了研究，最终获得其对染料的吸附等温线等。

2 材料和方法

2.1 材料

天然沸石：为浙江丽水的天然斜发沸石，粒径0.5～1.0 mm，主要矿物成分为：斜发沸石48%、石英31%、长石8%、伊利石4%、蒙脱石3%，其化学组成如表1所示。染料：氨基黑10B、藏红T和酸性紫红，它们的分子结构图如图1、图2和图3所示。

表1 天然沸石的化学组成

图1 氨基黑10B的分子结构

图2 藏红T的分子结构

图3 酸性紫红的分子结构

2.2 方法

采用静态吸附法进行实验，取一定量的天然沸石于150 mL的锥型瓶中，分别加入一定浓度的染料溶液，静止放置在20 ℃的恒温震荡箱中一段时间后，取上清液测定染料的含量。

2.3 测定

培养液pH值的测定[10]：采用酸度计进行测定。

氨基黑10B、酸性紫红和藏红T浓度的测定：采用分光光度法，取上清液分别在波长为618 nm、540 nm和514 nm测定其吸光度。

沸石吸附染料的脱色率按如下公式计算[7]：

(1)

式(1)中：Q为染料的脱色率，%；C0为染料的初始含量，mg/L；Ce为吸附平衡时溶液的染料的含量，mg/L。

沸石吸附染料的吸附容量按如下公式计算[7]：

(2)

式(2)中：qe为吸附容量，mg/g；V为溶液体积，mL；C0为染料的初始含量，mg/L；Ce为吸附平衡时溶液的染料的含量，mg/L；m为沸石的用量，g。

3 结果与讨论

3.1 天然沸石用量对脱色率的影响

为比较不同的天然沸石用量对染料脱色率的影响，分别加入100 mL染料(氨基黑10B、酸性紫红和藏红T)，浓度均为8 mg/L于150 mL的锥型瓶中，用NaOH(1+1)或H2SO4(1+1)调节溶液pH值为7.0，并且加入不同量的天然沸石，静止放置在20 ℃的恒温震荡箱中24 h进行吸附实验，结果如图4所示。

图4 天然沸石用量对脱色率的影响

由图4中可以看出，对于实验所选用的3种染料，天然沸石对染料藏红T的吸附效果最好，且天然沸石用量对3种染料的脱色率的影响均出现一致的现象，即并不是天然沸石用量越多越好，当天然沸石用量为80 g/L时脱色效果最好，大于该值时脱色率开始降低，这是由于产生了解附现象所导致。当天然沸石用量为80g/L时，天然沸石对染料脱色效果最佳，色度脱色率分别为16%、65%和81.2%。

3.2 吸附时间对脱色率的影响

为了探讨吸附时间对脱色率的影响，进行了如下实验：分别加入100 mL染料(氨基黑10B、酸性紫红和藏红T)浓度均为8 mg/L于150 mL的锥型瓶中，用NaOH(1+1)或H2SO4(1+1)调节溶液pH为7.0，并且分别加入80 g/L天然沸石，静止放置在20 ℃的恒温震荡箱中进行吸附实验，测定了吸附时间与脱色率的关系，如图5所示。

图5 吸附时间对脱色率的影响

结果表明：在静态吸附的实验条件下，在吸附时间为6 h之前，天然沸石对3种染料的脱色速率较快。在吸附6 h时，天然沸石对三种染料的脱色率分别为16%、62%和78.4%，吸附时间超过6 h，脱色率增加的很缓慢且基本恒定，因此综合考虑各方面的原因，可选择吸附时间为6 h为最佳值。

3.3 pH值对脱色率的影响

为了探讨酸度对脱色率的影响，进行了pH值对脱色率的影响实验，即：分别加入100 mL染料(氨基黑10B、酸性紫红和藏红T)浓度均为8 mg/L于150 mL的锥型瓶中，用NaOH(1+1)或H2SO4(1+1)调节溶液pH值依次为2.0、4.0、7.0、9.0、11.0，并且加入80 g/L天然沸石，静止放置在20 ℃的恒温震荡箱中6 h进行吸附实验，实验结果如图6所示。

图6 pH值对脱色率的影响

从图6中可以看出，溶液的pH值对于天然沸石吸附染料有着明显地影响。随着pH值的增加，天然沸石对染料藏红T的脱色率逐渐增加，也就是说，在碱性条件下的脱色率明显高于酸性条件下的脱色率。另外，天然沸石对染料酸性紫红的脱色率在碱性条件下脱色率较高，但在pH值为9.0弱碱性条件下脱色率最高。然而，天然沸石对染料氨基黑10B的吸附却不同于以上现象，也就是说，在酸性条件下将有利于天然沸石吸附染料氨基黑10B。

天然沸石对有机污染物质的吸附主要是依靠静电吸附作用来实现的[11，12]。对于阴离子染料，在碱性条件下，天然沸石对该类染料吸附容量较低的主要原因可能是由于大量的OH-离子的存在，该OH-离子会与染料离子产生竞争所导致。随着溶液碱性的逐渐增加，溶液中的OH-离子也逐渐增加，从而增强了OH-离子与天然沸石吸附能力，因此导致染料离子与天然沸石吸附能力的减弱[13]。

3.4 染料浓度对脱色率的影响

染料浓度对脱色率的影响实验按如下实验进行，即：在150 mL的锥型瓶中，加入80 g/L天然沸石，用NaOH(1+1)或H2SO4(1+1)调节溶液pH值为7.0，分别加入100 mL染料(氨基黑10B、酸性紫红和藏红T)，染料浓度依次为4 mg/L、8 mg/L、12 mg/L、16 mg/L、20 mg/L、24 mg/L、28 mg/L、32 mg/L和36 mg/L，静止放置在20 ℃的恒温震荡箱中6 h进行吸附实验，实验结果如图7所示。