改性SiO2氣凝膠對廢水中Fe3+的吸附性能

朱建軍，姜德立，魏 巍，謝吉民

（江蘇大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

大量含鐵廢水的直接排放會造成水體中DO 的明顯降低，使水污染加劇。含鐵廢水的處理對生態(tài)環(huán)境和人類健康均具有重要的意義［1-2］。目前，含鐵廢水主要的處理方法有：化學(xué)沉淀法、電解還原法、離子交換法、吸附法、好氧處理法和厭氧處理法等［3-5］。吸附法具有成本低、操作簡單、不造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛的關(guān)注［6］。氣凝膠具有比表面積大、孔隙率高等特點(diǎn)［7］，是一種性能優(yōu)良的吸附劑，常被用于有機(jī)物和重金屬離子等的吸附［8］。

本工作制備了改性SiO2氣凝膠，考察了經(jīng)不同類型、不同配比的改性劑改性的SiO2氣凝膠對模擬含F(xiàn)e3+廢水的吸附處理效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

Fe（NO3）3、正硅酸乙酯 （TEOS）、無水乙醇、六甲基二硅胺烷（HMDZ）、三甲基氯硅烷（TMCS）、草酸、氨水、正己烷：分析純。

BS110S型電子分析天平：北京賽多利斯儀器有限公司；TAS-986型原子吸收光譜儀：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；202-1型電熱干燥箱：江蘇省東臺縣電器廠；THZ-82A型氣浴恒溫振蕩儀：江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠。

1.2 改性SiO2氣凝膠的制備

分別取100 mL TEOS、60 mL 無水乙醇、20 mL草酸（濃度為0.008 mol/L）混合于250 mL 的燒杯中，將燒杯封口，置于50 ℃水浴中磁力攪拌12 h。然后逐滴緩慢加入2 mL氨水，繼續(xù)攪拌2 min，形成溶膠。

將溶膠轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯燒杯中，靜置約40 min，溶膠變?yōu)槟z后，加入無水乙醇浸泡36 h（每12 h更換一次無水乙醇）以老化凝膠，并置換出凝膠中的水及其他未反應(yīng)完的原料。然后加入正己烷浸泡凝膠36 h（每12 h更換一次正己烷），繼續(xù)老化凝膠，并置換出凝膠中的乙醇。溶劑交換之后，加入由HMDZ或TMCS分別與正己烷按不同體積比配制的改性劑，在50 ℃下浸泡凝膠24 h，對凝膠進(jìn)行表面改性。改性后再用正己烷浸泡凝膠24 h（每12 h更換一次正己烷）以去除凝膠中未反應(yīng)完的改性劑。最后用帶針孔的鋁箔將聚四氟乙烯燒杯封口，置于60 ℃干燥箱中干燥96 h，然后逐步升溫至180℃，干燥3 h，得到改性SiO2氣凝膠。

1.3 吸附實(shí)驗(yàn)

在錐形瓶中加入一定量的改性SiO2氣凝膠，加入20 mL 由Fe（NO3）3配制的Fe3+質(zhì)量濃度為10 mg/L的模擬含F(xiàn)e3+廢水，在25 ℃恒溫振蕩器中振蕩吸附一定時(shí)間，取樣測定溶液中剩余Fe3+質(zhì)量濃度，計(jì)算Fe3+去除率。

1.4 分析方法

分別配制Fe3+質(zhì)量濃度為2，4，6，8，10 mg/L的Fe（NO3）3溶液，利用原子吸收光譜法作出吸收標(biāo)準(zhǔn)曲線，并利用此標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算經(jīng)吸附后的廢水中的Fe3+質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性劑類型及配比對剩余Fe3+質(zhì)量濃度和Fe3+去除率的影響

在改性SiO2氣凝膠加入量為50 g/L、吸附時(shí)間為4 h的條件下，改性劑類型及配比對剩余Fe3+質(zhì)量濃度和Fe3+去除率的影響見表1。由表1可見，當(dāng)采用TMCS作為改性劑、V（TMCS）∶V（正己烷）=1∶5時(shí)， Fe3+去除率最高，達(dá)91.87%，剩余Fe3+質(zhì)量濃度僅為0.813 mg/L。故本實(shí)驗(yàn)最佳改性劑為TMCS，最佳配比為V（TMCS）∶V（正己烷）=1∶5。

表1 改性劑類型及配比對剩余Fe3+質(zhì)量濃度和Fe3+去除率的影響

2.2 改性SiO2氣凝膠加入量對剩余Fe3+質(zhì)量濃度和Fe3+去除率的影響

在V（TMCS）∶V（正己烷）=1∶5、吸附時(shí)間為4 h的條件下，改性SiO2氣凝膠加入量對剩余Fe3+質(zhì)量濃度和Fe3+去除率的影響見圖1。由圖1可見：隨改性SiO2氣凝膠加入量的增加，廢水中的剩余Fe3+質(zhì)量濃度迅速降低，F(xiàn)e3+去除率迅速增大；當(dāng)改性SiO2氣凝膠加入量為75 g/L時(shí)，F(xiàn)e3+去除率最高，為98.32%，剩余Fe3+質(zhì)量濃度僅為0.168 mg/L；繼續(xù)增加改性SiO2氣凝膠加入量，F(xiàn)e3+去除率基本保持不變。因此，本實(shí)驗(yàn)最佳改性SiO2氣凝膠加入量為75 g/L。

圖1 改性SiO2氣凝膠加入量對剩余Fe3+質(zhì)量濃度和Fe3+去除率的影響

2.3 吸附時(shí)間對剩余Fe3+質(zhì)量濃度和Fe3+去除率的影響

在改性SiO2氣凝膠加入量為75 g/L、V（TMCS）∶V（正己烷）=1∶5的條件下，吸附時(shí)間對剩余Fe3+質(zhì)量濃度和Fe3+去除率的影響見圖2。由圖2可見：隨吸附時(shí)間的延長，剩余Fe3+質(zhì)量濃度逐漸減小，F(xiàn)e3+去除率逐漸提高；當(dāng)吸附時(shí)間為4 h時(shí)，F(xiàn)e3+去除率為98.32%，剩余Fe3+質(zhì)量濃度為0.168 mg/L，廢水中剩余Fe3+質(zhì)量濃度達(dá)到穩(wěn)定值，吸附基本達(dá)到平衡；繼續(xù)延長吸附時(shí)間，剩余Fe3+質(zhì)量濃度和Fe3+去除率基本保持不變。因此，本實(shí)驗(yàn)最佳吸附時(shí)間為4 h。

圖2 吸附時(shí)間對剩余Fe3+質(zhì)量濃度和Fe3+去除率的影響

2.4 動態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在內(nèi)徑為2 cm、高度為10 cm的層析柱中加入20 g 在2.1節(jié)最佳條件下制備的改性SiO2氣凝膠，輕微壓實(shí)后，以420 mL/h的流量通入質(zhì)量濃度為100 mg/L的模擬含F(xiàn)e3+廢水，動態(tài)吸附后廢水中的剩余Fe3+質(zhì)量濃度僅為0.196 mg/L，符合GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求［9］。

3 結(jié)論

a）采用TMCS作為改性劑，在V（TMCS）∶V（正己烷）=1∶5的條件下制備了改性SiO2氣凝膠。在改性SiO2氣凝膠加入量為75 g/L、吸附時(shí)間為4 h的最佳實(shí)驗(yàn)條件下，處理Fe3+質(zhì)量濃度為10 mg/L的模擬含F(xiàn)e3+廢水， Fe3+去除率為98.32%，剩余Fe3+質(zhì)量濃度為0.168 mg/L。

b）采用最佳條件下制備的改性SiO2氣凝膠動態(tài)吸附流量為420 mL/h、質(zhì)量濃度為100 mg/L 的模擬含F(xiàn)e3+廢水，吸附后廢水中的剩余Fe3+質(zhì)量濃度僅為0.196 mg/L，符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

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［8］ Sudam K P，Sukalyan D，Sabita P，et al. Adsorption of organic molecules on silica surface［J］. Adv Colloid Interf Sci，2006，121（1/2/3）：77-110.

［9］ 中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所.GB 5749—2006 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.