新疆膨润土的改性及其对植物切片废液的处理*

吴 瑛，吕 悦

(1 新疆兵团南疆化工资源利用工程实验室，新疆 阿拉尔 843300；2 塔里木大学生命科学学院，新疆 阿拉尔 843300)

植物切片实验会产生大量染色废液，其主要成分是酒精约占90%以上，番红、固绿和二甲苯等其他物质大约10%，废液颜色较深且有毒害，造成无法再使用和环境污染。膨润土是具有特殊二维层装结构的天然纳米材料，有大的表面比表面积和高阳离子交换容量作用、孔道过滤作用及纳米结构效应等特性，作为低成本吸附剂用于水处理中具有良好的应用前景[1-3]。但是由于膨润土表面极强亲水性和层间阳离子的水解，使得膨润土对有机物吸附性能较差[4]，采用表面活性剂改性能使膨润土变为亲有机性，提高对水中有机污染的吸附[5-6]。目前已经报到了多种水体有机污染物采用膨润土的处理[7-9]，但是对于切片污水处理尚未见报道。采用廉价的膨润土对实验室植物切片废水进行处理，通过无机-有机改性提高染料的去除率。探讨了吸附材料制备和影响染料去除率的影响因素，以期能为膨润土在污水处理方面做些基础研究，同时达到节约资源和废物回收使用的目的。

1 实 验

1.1 原 料

膨润土(购于新疆农十师夏子街)，切片废液来自塔里木盆地资源保护重点实验植物学研究室。

1.2 膨润土的钠化

膨润土研细过100目，蒸馏水与膨润土3:1的比例浸泡24 h，搅拌制成浆体，静置，去除上清液与下沉淀，选择中间浆液，抽滤，80 ℃干燥后，过200目。将 5 g 膨润土分散到500 mL的10%的Na2CO3溶液中调节pH值为9，搅拌 3 h，离心分离，用95%乙醇洗涤直至无泡沫，60 ℃干燥，研磨过200目筛，得到钠化膨润土。

1.3 有机膨润土的制备

取1.6 g CTAB溶于装有400 mL蒸馏水的烧杯中，烧杯置于加热磁力搅拌器上，60 ℃恒温，连续搅拌3 h使CTAB充分溶于蒸馏水中。将4 g钠基膨润土缓缓倒入上述溶液，仍保持溶液温度60 ℃，连续搅拌3 h。将获得混合液取出冷却静置沉淀30 min，令固液充分分离，小心去除其上清液与泡沫。离心后，蒸馏水反复淋洗，AgNO3溶液检测滤液中无溴离子存在，60 ℃烘干，研磨过200目筛。

1.4 植物切片废液吸附实验

将膨润土(改性膨润土)于锥形瓶中，加入25 mL切片废液。放入摇床，在不同温度、时间和加入量等条件下进行吸附，达平衡后，离心取上清液，测定最大吸收波长处吸光度(番红549 nm，固绿618 nm)，根据公式(1)计算吸附率：

(1)

式中：A0为初始吸光度，Ax为吸附平衡后的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 膨润土形貌分析

从图1可以看到，当膨润土中引入 CTAB 后，钠膨润土的表面由光滑、紧密、层状明显，而经过CTAB改性后表面变的粗糙、松泡细软，空隙增加，片层出现距离增加，表面积加大，有利于其更好地吸附有机物[10]。

图1 改性前后膨润土SEMFig.1 SEM photos of Na-bentonites and CTAB-bentonites

2.2 吸附性能

2.2.1 混合膨润土的比例对吸附的影响

由表1得到在膨润土与CTAB-Bent的混合比例中1:2的去除率最佳，相较于单一的两种材料，两者的混合可以优化对废液的去除率。在实验数据中以1:2比例混合而成的材料对废液的去除率性能最佳，比例为2:1时混合膨润土的去除率较其他比例更低，大多数的CTAB-Bent没有发挥其吸附作用，使材料大量浪费。

表1 膨润土与CTAB-Bent不同比例条件下的吸附率Table 1 Removal rate of bentonite and CTAB-Bent at different ratios

2.2.2 投加量对吸附影响

膨润土对固绿染液不吸附，但对番红染液去除率在最佳投加量1.0 g时可以达到80.46%，随着膨润土投加量由1 g到1.4 g，对废液中番红的去除率几乎不变，即说明吸附达到平衡。混合膨润土不仅可以去除番红，同时也可以去除固绿，去除率随着吸附剂加入量的增大而增大，在加入量为0.8 g时达到最佳吸附效果，对番红的去除率可以达到92.58%，对固绿的去除率可以达到80.46%。两者对比就可以发现改性后膨润土与原膨润土混合后形成的混合膨润土的材料对于染料的去除率明显要大于膨润土，见图2。

图2 材料的不同加入量对染料去除的影响Fig.2 Effect of addition amount on adsorption capacity of bentonite and mixed bentonite

2.2.3 吸附温度的影响

不同温度实验中，图3表明了温度在40 ℃时膨润土对番红染液的去除率达到81.88%，混合膨润土对番红染液的去除率达到94.53%，对固绿染液的去除率达到87.39%。虽然增加温度对吸附量有一定的促进作用，但是作用效果微乎其微，在温度超过40 ℃后，还会影响吸附效果，去除率大量下降。

图3 温度对膨润土改性膨润土的影响Fig.3 Effect of temperature on bentonite and mixed bentonite

未改性时，膨润土本身存在表面吸附作用以及离子交换作用，在对切片废液的处理实验中，吸附废液中的番红染料大部分是因为膨润土的表面吸附作用，但是膨润土无法对染料废液中的固绿染液进行吸附去除，是由于固绿是酸性染料，需要对膨润土进行改性，使膨润土的离子交换能力增强。经过活性表面剂CTAB改性后的膨润土，能够吸附固绿染料，这证明CTAB成功插入膨润土的层间内部，导致膨润土层间距增大，有更大的吸附比表面积以及吸附点[12-13]，使得它的吸附范围变广，吸附性能变强，对废液中阴、阳离子染料的去除率也继而增大。

2.2.4 吸附时间的影响

时间对膨润土和混合膨润土对染料去除率的影响，从图4中可以看到，接触时间在10～80 min之间，废液中染料的去除率随着接触时间的增加而增加，这是由于在短时间内，膨润土与混合膨润土本身的吸附容量没有达到饱和。因此去除率随着吸附时间的增加而增加，但随着时间逐渐增长，去除率的增长变得缓慢，在80 min时，膨润土与混合膨润土都达到平衡，此时膨润土对番红染料的去除率为80.47%，混合膨润土对番红染液的去除率为93.62%，对固绿染液的去除率为85.67%。但超过80 min后，去除率只有微小变化，即吸附剂达到了饱和状态。因此，根据图6中显示的结果可以确定，膨润土与混合膨润土的去除废液平衡时间为80 min。

图4 时间对膨润土与混合膨润土的影响Fig.4 Effect of time on bentonite and mixed bentonite

3 结 论

(1)研究表明，膨润土不能吸附酸性染料固绿废液，无法去除废液中固绿的成分，但是膨润土在加入量1.0 g/25 mL，吸附时间为80 min的条件下对废液中番红染料的吸附力很强，去除率达到了81.88%，能够去除废液中番红的成分。温度对膨润土的去除率影响较小，为了节省能源，可以在30 ℃下处理废水。

(2)通过CTAB对自制钠基膨润土改性后，能使材料获得吸附固绿染液的能力，但同时对番红染液的去除率相应下降，将CTAB-Bent与膨润土以2:1的比例混合后，可使在投加量在0.8 g/25 mL，吸附时间80 min时对番红染料废液去除率达到90%以上，对固绿的去除率在80%左右。处理过的废液颜色近乎透明，肉眼观察不到有颜色存在，证明该方法可以用于番红-固绿染料废液的回收处理。

(3)相比膨润土对废液的去除率，混合膨润土不仅在番红的去除率上超过膨润土，同时也解决了对固绿的处理问题，可以直接对染料废液进行处理，节约成本。