改性凹凸棒土處理含苯酚水的技術(shù)

　　 含酚廢水的來(lái)源十分廣泛，印刷、農(nóng)藥、采煤、聚合物樹(shù)脂生產(chǎn)、石油和石化產(chǎn)品加工等行業(yè)都產(chǎn)生含酚廢水。酚類化合物對(duì)生物有毒害作用，但由于酚類化合物具有較高的穩(wěn)定性、水溶性和對(duì)傳統(tǒng)處理方法的抵抗性，因此很難被除去〔1-6〕。目前，處理含酚廢水的方法有很多，如：吸附、離子交換、反滲透、化學(xué)氧化、生物降解等，其中吸附法是一種常用的水處理技術(shù)〔7-8〕。

　　凹凸棒土是指以凹凸棒石為主要礦物成分的一種天然非金屬黏土礦物。凹凸棒土具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，因而具有很多獨(dú)特的物化性質(zhì)，如：陽(yáng)離子可交換性、吸水性、吸附脫色等〔9-10〕。目前，國(guó)內(nèi)外很多研究者將其作為天然廉價(jià)吸附劑在各種污、廢水處理的應(yīng)用中進(jìn)行了許多有益的探索。筆者用硅鎢酸對(duì)凹凸棒土進(jìn)行改性，制得硅鎢酸/凹土，以對(duì)苯酚的吸附量為指標(biāo)，探討了改性后的凹凸棒土吸附苯酚的最優(yōu)工藝條件。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 藥品與儀器

　　凹凸棒土：江蘇盱眙鴻慶凹土有限公司生產(chǎn)，粒徑為0.074 mm(200 目)。硅鎢酸及其余試劑均為分析純。

　　苯酚標(biāo)準(zhǔn)溶液：將1.0 g苯酚溶入蒸餾水中定容至1.0 L，得到質(zhì)量濃度為1 000 mg/L 的苯酚標(biāo)準(zhǔn)貯備液，實(shí)驗(yàn)時(shí)用蒸餾水稀釋至所需濃度。

　　儀器：UV751GD 型紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)，蘇州江東精密儀器有限公司;TGL-16C 型臺(tái)式離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠;KQ-100VDB 型三頻數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司;GZX-914MBE 數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;XTARX 射線衍射儀，瑞士ARL 公司。

　　1.2 改性凹凸棒土的制備

　　參照文獻(xiàn)〔11〕、〔12〕，按比例將硅鎢酸完全溶于蒸餾水中再加入凹凸棒土混合，80 ℃回流16 h，蒸發(fā)并于100 ℃下烘干4 h，粉碎，貯存?zhèn)溆?，記為硅鎢酸/凹土。

　　1.3 苯酚的標(biāo)準(zhǔn)曲線

　　用移液管向一組50 mL 比色管中分別加入50mg/L 的苯酚標(biāo)準(zhǔn)溶液0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL，加水稀釋定容至50 mL，用分光光度計(jì)在270 nm 處以蒸餾水為參比測(cè)定各溶液的吸光度。重復(fù)上一步驟，測(cè)定另一組吸光度，取平均值。

　　繪制苯酚的標(biāo)準(zhǔn)曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合，回歸方程為y=0.037 8x-0.035 2，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 2。

　　1.4 硅鎢酸/凹土對(duì)苯酚的吸附

　　在250 mL 錐形瓶中，加入100 mL 50 mg/L 的苯酚溶液和一定量的硅鎢酸/凹土，調(diào)節(jié)溶液的pH=9，于室溫超聲攪拌一定時(shí)間后經(jīng)高速離心30 min，取其上清液，在270 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度，按式(1)計(jì)算苯酚的去除率。

　　式中：R——苯酚去除率，%;

　　A0——吸附前的吸光度;

　　A1——吸附后的吸光度。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 原凹凸棒土和硅鎢酸/凹土的XRD 分析

　　圖1 給出的是原凹凸棒土和硅鎢酸/凹土的XRD 譜圖。

　　由圖1 可以看出，與原凹凸棒土的XRD 相比，硅鎢酸/凹土的XRD 衍射峰位置和強(qiáng)度均沒(méi)有發(fā)生大的變化，都表現(xiàn)出了凹凸棒土的幾個(gè)特征峰，這說(shuō)明硅鎢酸沒(méi)有進(jìn)入納米凹凸棒土的晶格，對(duì)凹凸棒土的晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有產(chǎn)生大的影響，只是包覆在凹凸棒土的表面。同時(shí)在圖1 給出的硅鎢酸/凹土的XRD 中，也未發(fā)現(xiàn)有明顯的硅鎢酸晶體結(jié)構(gòu)的特征衍射峰，表明硅鎢酸分子在凹凸棒土上呈高度分散狀態(tài)〔13-14〕。

　　2.2 吸附時(shí)間的影響

　　按照10 g/L 的標(biāo)準(zhǔn)向裝有100 mL 50 mg/L 的苯酚溶液的錐形瓶中加入1.0 g硅鎢酸/凹土，調(diào)節(jié)溶液的pH=7，在超聲儀中超聲振蕩一定時(shí)間，結(jié)束后在高速離心機(jī)上離心30 min，取其上清液測(cè)定吸光度?？疾煳綍r(shí)間對(duì)苯酚去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。

　　表1 吸附時(shí)間的影響

　　從表1 可以看出，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，苯酚的去除率逐漸增加，但當(dāng)超聲振蕩時(shí)間達(dá)到60 min后，繼續(xù)延長(zhǎng)超聲時(shí)間，苯酚去除率的變化不大。綜合考慮，選用超聲振蕩時(shí)間為60 min。

　　2.3 硅鎢酸/凹土用量的影響

　　分別向5 個(gè)250 mL 錐形瓶中加入50 mg/L苯酚溶液100 mL，并分別加入0.6、0.8、1.0、1.5、2.0 g的硅鎢酸/凹土，調(diào)節(jié)溶液的pH=7，在超聲儀中超聲振蕩60 min，結(jié)束后在高速離心機(jī)上離心30 min，取其上清液測(cè)定吸光度，計(jì)算苯酚的去除率，具體結(jié)果見(jiàn)表2。

　　表2 硅鎢酸/凹土用量的影響

　　從表2 可以看出，對(duì)苯酚的去除率隨著硅鎢酸/凹土添加質(zhì)量的增加而增大，并在硅鎢酸/凹土投加量到達(dá)一定程度的時(shí)候趨于平緩。當(dāng)硅鎢酸/凹土添加質(zhì)量達(dá)到1.0 g(質(zhì)量濃度為10 g/L)時(shí)，對(duì)苯酚的去除率達(dá)到60.02%。繼續(xù)增加硅鎢酸/凹土的投加量，苯酚的去除率變化不大，考慮到處理費(fèi)用，選擇硅鎢酸/凹土適宜的投加質(zhì)量濃度為10 g/L。

　　2.4 溶液pH 的影響

　　分別向7 個(gè)250mL 錐形瓶中加入100mL50mg/L的苯酚溶液，調(diào)節(jié)一定的pH，分別加入1.0 g硅鎢酸/凹土，在超聲儀中超聲振蕩60 min，結(jié)束后在高速離心機(jī)上離心30 min，取其上清液測(cè)定吸光度，考察溶液pH 對(duì)苯酚去除率的影響，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

　　表3 溶液pH 的影響

　　由表3 可知，隨著溶液pH 的提高，硅鎢酸/凹土對(duì)苯酚的去除率逐漸增大，當(dāng)pH=9 時(shí)，對(duì)苯酚的去除率最高，為69.92%;當(dāng)pH>9，苯酚的去除率又會(huì)有所下降。綜合考慮，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選用pH=9。

　　2.5 苯酚初始濃度的影響

　　分別向5 個(gè)250 mL 錐形瓶中加入100 mL 質(zhì)量濃度分別為10、50、100、150、200 mg/L 的苯酚溶液，調(diào)節(jié)溶液pH=9，再加入1.0 g改性凹凸棒土，常溫條件下，在超聲儀中超聲振蕩60 min，結(jié)束后在高速離心機(jī)上離心30 min，取其上清液測(cè)定吸光度，考察苯酚初始濃度對(duì)苯酚去除率的影響，具體結(jié)果見(jiàn)表4。

　　表4 苯酚初始濃度的影響

　　從表4 可以看出，硅鎢酸/凹土對(duì)苯酚的去除率隨著苯酚初始質(zhì)量濃度的增大而逐漸增加，但當(dāng)苯酚初始質(zhì)量濃度達(dá)到100 mg/L 后，苯酚去除率又逐漸降低。

　　2.6 吸附動(dòng)力學(xué)

　　依據(jù)超聲時(shí)間對(duì)苯酚去除率影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別利用一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型(式2)和二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型(式3)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合〔15-16〕，結(jié)果見(jiàn)表5。

　　式中：qt——t 時(shí)刻的吸附量，mg/g;

　　qe——平衡時(shí)的吸附量，mg/g;

　　k1——偽一級(jí)吸附速率常數(shù)，min-1;

　　k2——偽二級(jí)吸附速率常數(shù)，g/(mg·min)。

　　表5 硅鎢酸/凹土對(duì)苯酚吸附的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

　　由表5 可知，二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能更好地對(duì)苯酚在硅鎢酸/凹土上的吸附動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行擬合。

　　2.7 原凹凸棒土吸附性能

　　為了比較硅鎢酸/凹土與原凹凸棒土吸附性能的差異，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：苯酚的初始質(zhì)量濃度為100 mg/L、pH=9，原凹凸棒土的投加質(zhì)量濃度為10g/L 及超聲時(shí)間為60 min，結(jié)果表明原凹凸棒土對(duì)苯酚的去除率為13.28%。由此可見(jiàn)硅鎢酸/凹土較原凹凸棒土對(duì)苯酚的去除率提高了64.47%。

　　2.8 機(jī)理探討

　　圖2 為硅鎢酸/凹土吸附苯酚前后的紅外譜圖?？梢钥闯?，硅鎢酸/凹土吸附苯酚后在紅外譜圖上并沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明硅鎢酸/凹土吸附苯酚是一個(gè)物理吸附過(guò)程。相比較原凹凸棒土，硅鎢酸/凹土的吸附性能有一定提高，可能是因?yàn)榘纪拱敉两?jīng)硅鎢酸改性后，微晶有效的比表面積增大，因此可以使其對(duì)苯酚的吸附性能增強(qiáng)〔17-18〕。

　　3 結(jié)論

　　制備了硅鎢酸改性的凹凸棒土，XRD 表征說(shuō)明硅鎢酸包覆在凹凸棒土的表面，沒(méi)有改變凹凸棒土的晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)吸附實(shí)驗(yàn)獲得改性凹凸棒土(硅鎢酸/凹土)處理含苯酚廢水的優(yōu)化條件為：苯酚溶液的初始質(zhì)量濃度為100 mg/L、pH=9、改性凹凸棒土投加質(zhì)量濃度為10 g/L、吸附時(shí)間為60 min。優(yōu)化條件下硅鎢酸改性凹凸棒土和原凹凸棒土對(duì)苯酚的去除率分別為77.75%和13.28%，苯酚在硅鎢酸改性凹凸棒土上的吸附為物理吸附過(guò)程，且動(dòng)力學(xué)行為適合用偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型描述。