SBA 15/凹凸棒土/活性炭复合材料在光催化降解亚甲基蓝中的吸附性能

刘超　刘煜欣　王广健　吴小妹　郭亚杰

摘 要：探讨SBA-15/凹凸棒土/活性炭复合材料在光催化降解亚甲基蓝中的吸附性能.采用超声和马弗炉煅烧制备凹凸棒土/SBA-15复合材料，凹凸棒土与SBA-15的混合比例为60%，煅烧温度为500 ℃，煅烧时长为2 h，SBA-15/凹凸棒土/活性炭复合材料吸附性最佳.

关键词：SBA-15;凹凸棒土;活性炭;光催化降解;亚甲基蓝

[中图分类号]O614.7   [文献标志码]A

Study on Adsorption Properties of SBA-15/Attapulgite/Activated Carbon Composites in PhotocatalyticDegradation of Methylene Blue

LIU Chao1，LIU Yuxin2，WANG Guangjian1*，WU Xiaomei1，GUO Yajie1

（1.College of Chemistry and Materials Science，Huaibei Normal University，Huaibei235000，China;

2.Experimental High School Affiliated to Huaibei Normal University，Huaibei235000，China）

Abstract：The adsorption performance of SBA-15/attapulgite/activated carbon composite material in the photocatalytic degradation of methylene blue was discussed.The attapulgite/SBA-15 composite material was prepared by calcination using ultrasonic and muffle furnace.The mixing ratio of attapulgite and SBA-15 was 60%，the calcination temperature was 500 ℃，and the calcination time was 2 h.SBA-15/attapulgite The soil/activated carbon composite material has the best adsorption.

Key words：SBA-15;attapulgite;activated carbon;photocatalytic degradation;methylene blue

近年来，随着农业和工业的迅速发展，水污染问题日益严重，解决水污染问题迫在眉睫.[1-8]凹凸棒土全称凹凸棒石黏土，是一种具有耐高温、抗盐碱性良好的胶体性能水合镁铝硅酸盐矿物，产量大，价格低廉，遍布世界各地.由于其特殊的多孔结构，故具有良好的吸附色素、去除杂质等优点.常被用于工业、农业、纺织、环保等领域，效果极佳.SBA-15是一种介孔分子筛，也是一种新型的孔吸附材料，比表面积较大，热稳定性好，在各个领域有着广泛的用途.SBA-15本身无毒性，与活性炭一样，吸附速度快，吸附量大，被其吸附的污染物不易产生二次污染，对环境友好，适用于对水中色素污染的吸附以及净化.[9-11]本文制备SBA-15与凹凸棒土及活性炭材料复合材料，探究其复合比例、煅烧时间、烧结温度以及不同材料对光催化降解模拟印染废水的吸附性能[12-14]，目的是解决淮北地区印染废水污染问题.

1 实验试剂与仪器

仪器 HH-S6型数显恒温水浴锅（常州国宇仪器公司），FA1104型电子天平（上海民桥仪器公司），KQ5200DA型超声波清洗器（昆山超声仪器公司），DF-101S型集热恒温加热磁力攪拌器（巩义予华仪器公司），DZF-6020型真空干燥箱（上海博迅实业公司），DHG-9101-2S型电热恒温鼓风干燥箱（上海光都仪器公司），XMT-900型马弗炉（北京太光节能技术公司），DFY-5120型光化学反应仪（开封宏兴科教仪器厂），D8 Advance型粉末X-射线衍射仪（德国布鲁克公司），Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪（赛默飞世尔公司），JSM-6610LV型扫描电子显微镜（日本株式会社），SU-8220型场发射扫描电子显微镜（日立高新公司），TU-1901型紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器公司）.

主要试剂 聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷（PEO-PPO-PEO），AR;正硅酸四乙酯（C8H20O4Si），亚甲基蓝，AR;（C16H18ClN3S）凹凸棒土，（Mg5Si8O20（OH）2（OH2）4·4H2O），GR.

2 实验内容

SBA-15的制备 在250 mL烧杯中加入5.0 g的P123，120 mL 2 mol/L的盐酸，40 mL蒸馏水，在超声波清洗器中超声1.5 h，使其完全溶解，转移至集热恒温加热磁力搅拌器中35 ℃恒温搅拌至混合溶液澄清.滴加10 g正硅酸四乙酯，继续在35 ℃条件下搅拌10 h.静置12 h，10 h之后将水温加热至90 ℃后静置12 h，冷却，真空抽滤，洗涤.50 ℃下干燥3 h，在马弗炉中550 ℃焙烧2 h，得到介孔分子筛SBA-15.

SBA-15/凹凸棒土复合材料（SBA-15/ATP）的制备 采用马弗炉煅烧法制备SBA-15/凹凸棒土复合材料.烧杯中加入20 mL蒸馏水，分别加入SBA-15 30%，40%，50%，60%，70%，搅拌10 min使其接触充分，超声30 min.均匀混合后，将产品放入烘箱中60 ℃烘干成型，研磨成粉，放入马弗炉中煅烧.煅烧温度分别为200 ℃，300 ℃，400 ℃，500 ℃.煅烧时间分别为1 h，2 h，3 h.得到不同比例、不同温度、不同时间的SBA-15/ATP复合材料.

SBA-15/凹凸棒土/活性炭复合材料（SBA-15/ATP/AC）的制备 取上述不同比例、不同温度、不同煅烧时间的1 g复合物加入0.5 g的活性炭，混合均匀，制得活性炭/SBA-15/凹凸棒土复合材料.

MB染料的降解 取一定浓度的MB染料溶液加入烧杯中，加入10 mg的催化剂，将盛有催化剂的烧杯置于暗箱中磁力搅拌，30 min之后到达解吸/吸附平衡.把光催化的反应体系转移至光化学反应仪设备中，300 W的高压汞灯进行照射，不断搅拌实现光催化的降解反应.隔一段时间取出一定量的MB染料溶液，利用紫外分光光度仪来测量亚甲基蓝的吸光度，分析其降解率.

3 测试与表征

3.1 粉末X-射线衍射（XRD）测试与表征

图1是复合材料的广角XRD谱图.从图1中可以看出，SBA-15的XRD广角衍射图在2θ=22°左右有强的吸收峰，在SBA-15/凹凸棒土谱图部分可以看出，在2θ=21°附近有一明显的峰出现，且在2θ=27°附近存在一较强的峰，说明凹凸棒土与SBA-15结合较为良好.在SBA-1/凹凸棒土/活性炭的谱图部分可以观察到2θ=22°和2θ=27°的峰比SBA-15/凹凸棒土谱图部分的峰强，说明在SBA-15/凹凸棒土/活性炭的复合材料中，SBA-15与凹凸棒土结合更好.图1中并没有出现活性炭的特殊峰，说明活性炭没有产生结晶，属于无定形碳，因此检测不出活性炭的特征峰.

3.2 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）测试与表征

图2是SBA-15/凹凸棒土/活性炭红外光谱图.从图2中可以看出，在1 400 cm-1处有一个峰，表明样品中含有Si，O，H;在1 630 cm-1处有一峰，表明样品中含有C=C或者C=O;2 349 cm-1处有一尖锐的峰，为CO2的谱峰;2 930 cm-1和2 970 cm-1处的峰对应于P123中的亚甲基和甲基中的C-H键的不对称伸缩振动;3 500 cm-1处有峰，表明有-OH存在.结果表明，S样品为BA-15/凹凸棒土/活性炭复合材料.

3.3 扫描电子显微镜（SEM）测试与表征

图3是SBA-15/凹凸棒土/活性炭样品的扫描电镜显微镜图.从图3中可以看出，复合材料为短棒状的颗粒结构，SBA-15分布在活性炭或者凹凸棒土的表面不规则分布.复合之后的样品呈现棒状结构.

3.4 场发射电子扫描电子显微镜（FE-SEM）测

试与表征

图4是SBA-15/凹凸棒土复合材料的场发射扫描电镜图，短棒状的SBA-15与凹凸棒土经过马弗炉煅烧成吸附能力更强的材料.从图4中可以清晰的看出，SBA-15呈現短棒状，凹凸棒土被其包裹着，整体结构紧密.介孔结构分明.图5为活性炭/SBA-15/凹凸棒土样品的场发射电镜图.从图5中可以看出，加入的活性炭介于SBA-15/凹凸棒土样品的间隙中，活性炭为片状结构与SBA-15/凹凸棒土的棒状结构间隔排布，使得样品的吸附性能更强.

4 SBA-15/凹凸棒土复合材料的光催化性能

取一定浓度的MB染料溶液100 mL，向其中加入不同的复合材料，置于暗处搅拌30 min，达到吸附-解析平衡.采用300 W高压汞灯照射，在持续搅拌下进行光催化降解反应，分别在3，5，8，10 min取出一定量的MB染料溶液用紫外分光光度计在波长664 nm处测量MB染料溶液的吸光度.MB染料溶液的降解率见表1、表2、表3、表4.复合材料中SBA-15的质量分数为60%时，光催化降解效果最好，详见表1.煅烧时间为2 h时，60%SBA-15/ATP光催化降解效果最好，详见表2.煅烧温度为500 ℃时60%SBA-15/ATP光催化降解效果最好，详见表3.复合材料中掺入活性炭时SBA-15/ATP/AC光催化降解效果最好，详见表4.

5 结论与展望

本文探讨SBA-15/凹凸棒土/活性炭复合材料在光催化降解亚甲基蓝中的吸附性能.采用超马弗炉煅烧制备SBA-15，通过超声和马弗炉煅烧制备凹凸棒土/SBA-15复合材料.XRD谱图、红外光谱图、扫描电镜图、场发射扫描电镜图对复合材料进行表征.对于光催化剂光催化活性炭、SBA-15及凹凸棒土吸附水中的亚甲基蓝反应的催化活性做评价：凹凸棒土与SBA-15的混合比例为60%、煅烧温度为500 ℃、煅烧时长为2 h，SBA-15/凹凸棒土/活性炭复合材料吸附性最佳.

淮北矿区土壤重金属重污染严重，Cu和Ni源于煤炭燃烧产生的粉尘，Cr和Zn源于煤炭的开采，Hg源于自然成土因素，需要严格注意这类重金属元素污染源的控制.本研究下一步将继续探索复合材料在淮北塌陷区污染水质中重金属离子吸附中的应用.

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编辑：琳莉

收稿日期：2020-05-22

基金项目：安徽省自然科学基金项目（1208085MB32）;安徽省教育厅科研基金项目（KJ2011A250）

作者简介：刘超（1996- ），男，黑龙江齐齐哈尔人.助教，硕士生，主要从事固体光催化剂设计与应用研究;刘煜欣（2003- ），女，安徽淮北人.高中生，主要从事催化剂设计与应用研究;王广健（1964- ），男，安徽灵璧人.教授，博士，硕士生导师，主要从事无机纳米材料研究.

通讯作者：王广健