鈉基蒙脫土對亞甲基藍的吸附和解吸研究

趙亞紅，龐方亮，王 麗，王愛勤

(1.內蒙古農業(yè)大學 材料科學與藝術設計學院，內蒙古 呼和浩特 010018;

2.中國科學院 蘭州化學物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

材料與藥劑

鈉基蒙脫土對亞甲基藍的吸附和解吸研究

趙亞紅1，龐方亮1，王 麗1，王愛勤2

(1.內蒙古農業(yè)大學 材料科學與藝術設計學院，內蒙古 呼和浩特 010018;

2.中國科學院 蘭州化學物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

采用正交實驗方法，確定了鈉基蒙脫土吸附亞甲基藍染料的最佳吸附條件。采用試劑再生法、超聲波法、高溫焙燒法、氫氧化鈉－高溫焙燒結合法對鈉基蒙脫土吸附亞甲基藍進行解吸。用掃描電子顯微鏡照片和紅外光譜對吸附前后的鈉基蒙脫土的結構進行表征。實驗結果表明:在亞甲基藍溶液pH為10、吸附溫度為60°C、亞甲基藍質量濃度為1 300 mg/L、吸附時間為6 h時，鈉基蒙脫土對亞甲基藍的吸附量可高達412 mg/g;氫氧化鈉－高溫焙燒結合法對鈉基蒙脫土的解吸效果最好，但吸附前后，鈉基蒙脫土的結構發(fā)生明顯變化。

鈉基蒙脫土;亞甲基藍;吸附;解吸;廢水處理

染料廢水是目前我國主要的有害工業(yè)廢水之一。這類廢水濃度高、色度深、降解難、成分復雜，直接排入水中會引起水質污染［1］。在眾多的染料廢水中，偶氮染料廢水被公認是難治理的高濃度有機廢水之一［2］。亞甲基藍是水溶性偶氮染料的代表性化合物，在水溶液中會形成有機“陽離子型”的季胺鹽離子基團，且色度很高，對環(huán)境污染嚴重［3］。目前，染料廢水常用的處理方法有絮凝沉淀法［4－5］、臭氧氧化法［6－7］、光催化法［8－9］、膜分離法［10－11］和吸附法等。其中吸附法由于不會引入新的污染物、能耗低且能從廢水中富集分離有機污染物，因而受到人們的廣泛關注［12－13］。

蒙脫土作為一種天然的高分子吸附劑，具有較大的比表面積和陽離子交換容量，因此被廣泛應用于染料廢水處理。關于蒙脫土吸附亞甲基藍的研究雖已有報道［14－16］，但是采用正交實驗確定蒙脫土吸附亞甲基藍的最佳吸附條件的研究還鮮見報道。而且在實際應用中，吸附后的吸附劑是否可經解吸再生重復使用，這也是經濟上具有吸引力的關鍵所在［17］。

本工作通過正交實驗考察了吸附條件對鈉基蒙脫土吸附亞甲基藍能力的影響，并對吸附后的鈉基蒙脫土進行解吸，同時分析吸附前后鈉基蒙脫土的結構變化。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

鈉基蒙脫土:陽離子交換容量1 mmol/g，浙江豐虹黏土化工有限公司。亞甲基藍:純度98.5%。其他試劑皆為分析純。

N EXUS型傅立葉變換紅外光譜儀:美國Thermo Nicolet公司;JSM－5600LV型掃描電子顯微鏡:日本JEOL公司;H－2050R型臺式高速冷凍離心機:長沙高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)湘儀離心機儀器有限公司;TU－1901型雙光束紫外－可見分光光度計:北京普析通用儀器有限公司。

1.2 吸附實驗方法

準確稱取0.100 0 g鈉基蒙脫土，加入35 mL亞甲基藍水溶液，置于水浴恒溫振蕩器中(轉速150 r/min)，在一定溫度下吸附一定時間，使之達到吸附平衡。分離吸附液，在波長670 nm處測定亞甲基藍質量濃度，按式(1)計算吸附量。

式中:Q為吸附量，mg/g;ρ0為亞甲基藍的初始質量濃度，mg/L;ρe為達到吸附平衡時的亞甲基藍質量濃度，mg/L;V為亞甲基藍溶液體積，L;m為鈉基蒙脫土的質量，g。

1.3 解吸實驗方法

試劑再生法:將吸附飽和的鈉基蒙脫土(質量，g)分別與濃度為1 mol/L的硫酸、1 mol/L的氫氧化鈉、乙醇、蒸餾水(體積，mL)按1∶30的比例充分混合后在30°C、150 r/min的水浴恒溫振蕩器中振蕩3 h。

超聲波法:將吸附飽和的鈉基蒙脫土與水混合，用功率為90 W的超聲波處理3 h。

高溫焙燒法:將吸附飽和的鈉基蒙脫土500°C高溫焙燒3 h。

氫氧化鈉－高溫焙燒結合法:將吸附飽和的鈉基蒙脫土按試劑再生法用濃度為1 mol/L氫氧化鈉處理，再經500°C高溫焙燒3 h。

將經上述方法處理后的鈉基蒙脫土用水清洗直到洗液無顏色后調節(jié)至中性，60°C烘干后粉碎，過200目篩，在正交實驗確定的最佳條件下進行二次吸附實驗。

2 結果與討論

2.1 吸附條件的確定

采用正交實驗法，選用L9(34)正交設計表，考察了亞甲基藍溶液pH、吸附溫度、亞甲基藍質量濃度和吸附時間對吸附量的影響，正交實驗因素水平見表1，正交實驗結果見表2。

表1 正交實驗因素水平

表2 正交實驗結果

由表2可見:影響吸附量指標的因素大小順序為吸附溫度＞亞甲基藍溶液pH＞吸附時間＞亞甲基藍質量濃度;最佳吸附條件為A3B3C1D3，即亞甲基藍溶液pH為10、吸附溫度為60°C、亞甲基藍質量濃度為1 300 mg/L、吸附時間為6 h。在此最佳實驗條件下的驗證實驗結果表明，最大吸附量為412 mg/g。

2.2 不同解吸方法對二次吸附量的影響

不同方法解吸后的鈉基蒙脫土對亞甲基藍的吸附量見圖1。由圖1可見:經結合法解吸后的鈉基蒙脫土吸附量最大，可達74 mg/g;高溫焙燒法解吸的鈉基蒙脫土二次吸附量相對較大，為68 mg/g。但二次吸附量均比第一次吸附時的412 mg/g小得多，說明這幾種解吸方法對鈉基蒙脫土上亞甲基藍的解吸效果均不理想，這是由于鈉基蒙脫土對亞甲基藍的吸附作用不僅僅是表面吸附，還同時存在離子交換吸附和化學吸附［18］，試劑再生法和高溫焙燒法在解吸過程中不能使層間的亞甲基藍分子發(fā)生解吸，僅對鈉基蒙脫土表面的亞甲基藍分子發(fā)生作用，且解吸后的鈉基蒙脫土由于表面殘留的染料分子的排斥力作用使其表面的空白吸附位難以被其他染料分子占據［19－20］。

圖1 不同方法解吸后的鈉基蒙脫土對亞甲基藍的吸附量

2.3 掃描電子顯微鏡照片分析

吸附前(a)后(b)鈉基蒙脫土掃描電子顯微鏡照片見圖2。由圖2可見:鈉基蒙脫土片層規(guī)則整齊地排列在材料表面，而且比較致密;而吸附后，鈉基蒙脫土表面片層結構呈團狀無規(guī)則分散，而且比較疏松。這說明染料分子進入了蒙脫土層間，導致蒙脫土的表面形貌發(fā)生了變化。

圖2 吸附前(a)后(b)鈉基蒙脫土的掃描電子顯微鏡照片

2.4 紅外光譜譜圖分析

吸附前后鈉基蒙脫土的紅外光譜譜圖見圖3。

圖3 吸附前后鈉基蒙脫土的紅外光譜譜圖

由圖3可見:鈉基蒙脫土在3 627 cm－1處的—OH伸縮振動吸收峰在吸附亞甲基藍后明顯減弱;同時，鈉基蒙脫土在3 424 cm－1和1 636 cm－1處的O—H伸縮振動吸收峰在吸附亞甲基藍后增強并分別向3 441 cm－1和1 602 cm－1處移動;吸附后的鈉基蒙脫土分別在1 490，1 249，884 cm－1處出現亞甲基藍芳香環(huán)的特征伸縮振動吸收峰，這說明亞甲基藍染料分子進入了鈉基蒙脫土層間，可能與蒙脫土中的—OH鍵通過蒙脫土的層間陽離子發(fā)生了配位或絡合作用。

3 結論

a)通過正交實驗得出鈉基蒙脫土吸附亞甲基藍的最佳吸附條件:亞甲基藍溶液pH 10、吸附溫度60°C、亞甲基藍溶液質量濃度1 300 mg/L、吸附時間6 h。在此條件下，鈉基蒙脫土對亞甲基藍的吸附量可高達412 mg/g。

b)采用試劑再生法、超聲波法、高溫焙燒法、氫氧化鈉－高溫焙燒結合法對吸附飽和的鈉基蒙脫土進行解吸和二次吸附研究。經氫氧化鈉－高溫焙燒結合法解吸的鈉基蒙脫土二次吸附量最大，為74 mg/g。但這些方法對鈉基蒙脫土上亞甲基藍的解吸效果均不理想。

c)掃描電子顯微鏡照片和紅外光譜譜圖表征結果顯示，鈉基蒙脫土吸附亞甲基藍后的結構發(fā)生明顯變化。

［1］ Nandi B K，Goswami A，Purkait M K.Adsorption characteristics of brilliant green dye on kaolin［J］.J Hazard Mater，2009，161(1):387 －395.

［2］ 王愛民，楊立紅，張素娟，等.電化學方法治理含染料廢水的現狀與進展［J］.工業(yè)水處理，2001，21(8):4－7.

［3］ 姚超，劉敏，李為民，等.凹凸棒石/氧化鋅納米復合材料對亞甲基藍的吸附性能［J］.環(huán)境科學學報，2010，30(6):1211－1219.

［4］ 劉霖，皮科武，吳思敏.蒙脫石基絮凝劑處理染料廢水［J］.化工環(huán)保，2007，27(6):567－571.

［5］ Sadri M S，Alavi M M R，Arami M.Coagulation/flocculation process for dye removal using sludge from water treatment plant:Optimization through response surface methodology［J］.J Hazard Mater，2010，175(1 －3):651－657.

［6］ 楊俊，魯勝，丁艷華.改性赤泥絮凝－臭氧氧化處理模擬印染廢水［J］.化工環(huán)保，2010，30(4):287－291.

［7］ 簡麗，王本洋.臭氧氧化－曝氣生物濾池處理含高濃度硝基苯類化合物廢水［J］.化工環(huán)保，2010，30(5):408－411.

［8］ 王程，張璞，李艷，等.天然礦物材料處理印染廢水的研究進展［J］.化工環(huán)保，2008，28(5):404－407.

［9］ Jain R， ShrivastavaM. Photocatalyticremovalof hazardous dye cyanosine from industrial waste using titanium dioxide［J］.J Hazard Mater，2008，152(1):216－220.

［10］ Sachdeva S，Kumar A.Preparation of nanoporous composite carbon membrane for separation of rhodamine B dye［J］.J Membr Sci，2009，329(1 － 2):2－10.

［11］ Majewska-Nowak K M.Application of ceramic membranes for the separation of dye particles［J］.Desalination，2010，254(1－3):185－191.

［12］ Sun Deshuai，Zhang Xiaodong，Wu Yude.Adsorption of anionic dyes from aqueous solution on fly ash［J］.J Hazard Mater，2010，181(1－3):335－342.

［13］ 易懷昌，孟范平，宮艷艷.殼聚糖對酸性染料的吸附性能研究［J］.化工環(huán)保，2009，29(2):113－117.

［14］ Almeida C A P，Debacher N A，Downs A J，et al.Removal of methylene blue from colored effluents by adsorption on montmorillonite clay［J］.J Colloids Interf Sci，2009，322(1):46 －53.

［15］ Ma Yulong， XuZirong， TongGuotong， etal.Adsorption of methylene blue on Cu(II)-exchanged montmorillonite［J］.J Colloids Interf Sci，2004，280(2):283－288.

［16］ Wang Li，Zhang Junping，Wang Aiqin.Removal of methylene blue from aqueous solution using chitosan-gpoly(acrylicacid)/montmorillonite superadsorbent nanocomposite［J］.Colloids Sur A:Physicochem Eng Aspects，2008，322(1－3):47－53.

［17］ 黃美榮，李舒.重金屬離子天然吸附劑的解吸與再生［J］.化工環(huán)保，2009，29(5):385－393.

［18］ 王連軍，黃中華，劉曉東，等.膨潤土的改性研究［J］.工業(yè)水處理，1999，19(1):9－11.

［19］ Mall I D，Srivastava V C，Agarwal N K.Removal of orange-g and methyl violet dyes by adsorption onto bagasse fly ash-kinetic study and equilibrium isotherm analyses［J］.Dyes Pigments，2006，69(3):210 －223.

［20］ 趙大傳，朱艷秋，張瑞海.膨潤土改性及其在染料廢水處理中的應用［J］.山東建筑工程學院學報，2006，21(3):234－238.

Study on Adsorption and Desorption of Methylene Blue on Na-montmorillonite

ZhaoYahong1，Pang Fangliang1，Wang Li1，Wang Aiqin2

(1.College of Material Science and Art Design，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot Inner Mongolia 010018，China;
2.Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China)

The optimum conditions for adsorption of methylene blue(MB)onto Na-montmorillonite(Na-MMT)were determined by orthogonal tests.The MB on Na-MMT was desorbed by agent regeneration method，ultrasonic wave method，high temperature calcination method and sodium hydroxide-high temperature calcination method，respectively.The structures of Na-MMT before and after adsorption were characterized by SEM and FT-IR.The experimental results indicate that:When the MB solution pH is 10，the adsorption temperature is 60℃，the MB mass concentration is 1 300 mg/L and the adsorption time is 6 h，the adsorption quantity of MB on Na-MMT is as high as 412 mg/g;The best method for desorption of Na-MMT is the sodium hydroxide-high temperature calcination method，but the structures of Na-MMT before and after adsorption are changed obviously.

Na-montmorillonite;methylene blue;adsorption;desorption;wastewater treatment

X703.1

A

1006－1878(2011)04－0357－04

2011－02－24;

2011－03－22。

趙亞紅(1987—)，女，內蒙古自治區(qū)赤峰市人，碩士生，研究方向為納米功能高分子材料。電話15904889234，電郵 shuipingzuowsw@163.com。聯(lián)系人:王麗，電話 15124706859，電郵 wl2083663@126.com。

國家自然科學基金資助項目(20867004);國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201104004)。

(編輯 張艷霞)