CTMAB-膨潤土和HDBAC-膨潤土吸附去除水中酚類有機污染物

王聞捷，虞 卉，陳 晨，鄭凱琳，楊超穎，徐立恒

(中國計量學院 環(huán)境工程系，浙江 杭州 310013)

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CTMAB-膨潤土和HDBAC-膨潤土吸附去除水中酚類有機污染物

王聞捷，虞 卉，陳 晨，鄭凱琳，楊超穎，徐立恒

(中國計量學院 環(huán)境工程系，浙江 杭州 310013)

針對水中酚類有機污染物的去除，十六烷基二甲基芐基氯化銨(HDBAC)和十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)為改性劑在制備了兩種有機膨潤土(HDBAC-Bent和CTMAB-Bent)，并以紅外光譜和掃描電子顯微鏡對有機膨潤土的結(jié)構(gòu)進行表征.同時，考察了有機膨潤土對單一和復合污染體系中苯酚和2-萘酚的吸附性能，研究發(fā)現(xiàn)兩種有機膨潤土對2-萘酚的吸附能力遠遠大于對苯酚的吸附，在兩種有機物共存時，2-萘酚的吸附受苯酚影響很少，而苯酚的吸附顯著受到抑制.

膨潤土；吸附能力；有機污染物；水處理

0 引 言

水是一切生物賴以生存的基本物質(zhì).隨著現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展，水資源受到的污染日趨嚴重，已經(jīng)成為全球各國關注的環(huán)境問題.目前，傳統(tǒng)的處理工藝并不能對污水中的難降解持久性有機物污染物如有機氯、有機農(nóng)藥、燃料、酚類化合物、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、環(huán)境干擾素等[1,2]進行高效有效的處理，因此迫切需要開發(fā)針對持久性有機污染物的高效處理方法.吸附法是污水處理中常用的一種高效節(jié)能的處理方法，吸附劑的性能是決定吸附處理效果的重要控制因素，為此設計開發(fā)高效吸附劑至關重要.

膨潤土由于獨有的片層結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，被國內(nèi)外學者視為良好的吸附劑材料.通過有機、無機等不同方法對膨潤土進行改性獲得改性膨潤土，其對廢水中的重金屬、農(nóng)藥、染料等具有良好的吸附效果[3-6].研究發(fā)現(xiàn)，改性劑的結(jié)構(gòu)是影響改性膨潤土對水中污染物吸附能力的重要因素[7-10]，深入探討改性膨潤土的吸附特性與改性劑結(jié)構(gòu)之間的關系對設計開發(fā)高效的膨潤土吸附劑有重要的指導意義.本文以十六烷基二甲基芐基銨(HDBAC)和十六烷基三甲基溴化(CTMAB)作為改性劑制備改性膨潤土，研究其對水中酚類有機污染物的吸附性能，探討在單一和復合污染條件下改性膨潤土的吸附行為，以期為水污染治理吸附提供參考.

1 實驗方法

1.1 材料與儀器

膨潤土為鈣基膨潤土，其陽離子交換容量(CEC)為1.084 mmol/g，研磨打碎經(jīng)100目篩后存貯備用.十六烷基二甲基芐基氯化銨(C25H46NCl)、十六烷基三甲基溴化銨(C19H42BrN)、苯酚(C6H5OH)、2-萘酚(C10H8O)均為分析純試劑，購自百靈威.分子結(jié)構(gòu)及分子量(見表1).

表1 各物質(zhì)化學名稱、結(jié)構(gòu)式及分子量

1.2 有機膨潤土的制備和結(jié)構(gòu)表征

向400 mL超純水中加入8.64 mmol改性劑(CTMAB或HDBAC)，待充分溶解后，向溶液中加入10 g膨潤土，25℃、200 r/min條件下振蕩6 h后過濾去除上清液；將改性膨潤土用去離子水洗滌至無氯離子檢出，放置65 ℃烘干，研磨過100目篩備用.制得的有機膨潤土依據(jù)使用的改性劑，分別標記為CTMAB-Bent和HDBAC-Bent.

膨潤土樣品的紅外光譜采用Nicolet NEXUS紅外光譜儀(美國熱電)測定，透射光譜，掃描范圍400～4000 cm-1.采用SU1510掃描電鏡(Hitachi,日本)對樣品粉末進行掃描獲得掃描電鏡(SEM)圖像.

1.3 吸附性能試驗

將0.02 g有機膨潤土(CTMAB-Bent或HDBAC-Bent)加入裝有20 mL已知濃度的苯酚或2-萘酚的單一溶液(或已知濃度配比的苯酚和2-萘酚的混合溶液)中，25 ℃、200 r/min條件下振蕩3 h至吸附平衡.4 000 r/min下離心15 min后，取上清液測定溶液中剩余污染物濃度，計算有機膨潤土對苯酚(2-萘酚)的吸附量.

(1)

式中：q—有機膨潤土對目標污染物的吸附量，mg/g;

C0—初始溶液中污染物的濃度，mg/L；

Ce—處理后上清液中污染物的濃度，mg/L；

V—溶液的體積，L；

m—投加的有機膨潤土質(zhì)量，g.

有機污染物濃度采用高效液相色譜儀(AgilentTechnologies1 260Infinity)測定，流動相組成為甲醇 ∶水(v∶v)=65 ∶35，紫外檢測器，檢測波長270 nm.

2 結(jié)果與討論

2.1 有機膨潤土的結(jié)構(gòu)

采用紅外光譜技術對制備的有機膨潤土樣品進行表征，結(jié)果(見圖1).由圖可見，與原土的紅外光譜相比，CTMAB-Bent和HDBAC-Bent樣品的紅外光譜在2 825 cm-1和2 925 cm-1有兩組顯著的紅外吸收峰，這是改性劑(CTMAB和HDBAC)分子結(jié)構(gòu)中-CH2和-CH3伸縮振動帶來的典型吸收峰；在HDBAC-Bent樣品的紅外光譜中，3 030 cm-1和3 080 cm-1波段有兩組小峰，這是HDBAC分子中取代苯環(huán)帶來的典型吸收峰.由此可知，膨潤土經(jīng)改性后成功得到了有機膨潤土.

圖1 有機膨潤土的紅外光譜圖

圖2是有機膨潤土和原土樣品的掃描電鏡(SEM)圖，從圖中可以清晰的看到膨潤土的片層結(jié)構(gòu).經(jīng)改性劑改性后，有機膨潤土依舊保持完整的片層結(jié)構(gòu)，改性劑分子成功進入到膨潤土結(jié)構(gòu)內(nèi)部.

圖2 有機膨潤土和膨潤土原土的掃描電鏡圖

2.2 有機膨潤土對酚類污染物的吸附性能

有機膨潤土CTMAB-Bent和HDBAC-Bent對水中典型酚類污染物苯酚和2-萘酚的吸附情況(見圖3).由圖可見，在相同濃度范圍內(nèi)，有機膨潤土對2-萘酚的吸附性能遠高于對苯酚的吸附性能.膨潤土經(jīng)有機改性劑改性以后，有機改性劑層間域從而形成疏水性區(qū)域，因此在疏水性相互作用的推動下對疏水性強的有機物有較強的吸附性能.辛醇-水分配系數(shù)(Kow)是衡量有機物疏水性的常用參數(shù)，2-萘酚的lgKow值為2.71，顯著高于苯酚的lgKow值(1.46)，表明其較強的疏水性，這也是2-萘酚在兩種有機膨潤土上具有較高吸附性能的主要原因.

由圖3可以看出，有機膨潤土對2-萘酚和苯酚的吸附除吸附量有顯著差距以外，吸附等溫線的形式也明顯不同.在實驗濃度范圍內(nèi)，苯酚的吸附等溫線基本呈線性，而2-萘酚的吸附等溫線明顯的非線性.Langmuir等溫吸附模型是常用的非線性吸附模型，其表達式為：

(2)

式中：Qe—有機膨潤土對目標污染物的吸附量，mg/g；

Qmax—最大吸附量，mg/g；

Ce—處理后上清液中污染物的濃度，mg/L；

K—吸附系數(shù)，L/mg.

線性等溫吸附模型也是一種常見的吸附模型，其表達式為：

Qe=KdCe

(3)

式中：Qe—有機膨潤土對目標污染物的吸附量，mg/g；

Ce—處理后上清液中污染物的濃度，mg/L；

Kd—吸附系數(shù)，L/mg.

分別以Langmuir等溫吸附模型和線性吸附模型對2-萘酚和苯酚在有機膨潤土上的吸附情況進行擬合，擬合結(jié)果(見圖3)，相應的擬合參數(shù)(見表1).可見，Langmuir模型和線性模型對2-萘酚和苯酚在有機膨潤土上的吸附情況擬合非常良好，相關系數(shù)均在0.98以上，能夠很好的描述兩種有機污染物的吸附.

圖3 有機膨潤土對2-萘酚和苯酚的等溫吸附

對于2-萘酚，HDBAC-Bent的吸附能力顯著大于CTMAB-Bent，其最大吸附容量為308.2mg/g，超過CTMAB-Bent最大吸附容量的2倍.這可能是由于HDBAC分子中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)使得HDBAC-Bent層間有機相的性質(zhì)具有一定的方向性，與萘酚分子的萘環(huán)具有顯著的π電子相互作用.苯酚的親水性較強，其在HDBAC-Bent和CTMAB-Bent的吸附能力接近，其吸附系數(shù)Kd分別為0.160 3和0.186 2，CTMAB-Bent的吸附能力略優(yōu).

3.2 有機膨潤土在復合污染體系中的吸附性能

實際廢水體系多是多種污染物共存，共存污染物之間在吸附時可能存在相互促進、抑制等各種相互作用，從而影響水處理的實際效果.為此，研究復合污染體系中吸附劑的吸附行為對研究吸附機理、指導實際應用具有重要意義.本文以2-萘酚和苯酚兩種酚類有機物為代表，考察復合體系中有機膨潤土的吸附吸能，結(jié)果(見圖4).

在2-萘酚和苯酚復合污染體系中，HDBAC-Bent和CTMAB-Bent兩種有機膨潤土對2-萘酚依然保持較高的吸附能力，遠遠高于對苯酚的吸附，2-萘酚是優(yōu)先吸附的吸附質(zhì).同時可以發(fā)現(xiàn)，2-萘酚的等溫吸附線與單一污染體系中2-萘酚的吸附等溫線幾乎重合，共存的苯酚對其吸附影響甚小.復合體系中苯酚在有機膨潤土上的吸附明顯受到共存2-萘酚的影響，由圖4可見，復合體系中苯酚在HDBAC-Bent和CTMAB-Bent的吸附量明顯低于單一污染體系中的吸附量，2-萘酚的存在對苯酚的吸附產(chǎn)生了一定的抑制作用.此外，對比HDBAC-Bent和CTMAB-Bent兩種膨潤土對復合污染體系中苯酚的吸附情況，不難看出CTMAB-Bent的吸附受2-萘酚的抑制更顯著.

圖4 有機膨潤土在復合污染體系中的等溫吸附

3 結(jié) 論

本文分別以表面活性劑CTMAB和HDBAC為改性劑制備有機膨潤土，并考察了其對單一和復合污染體系中苯酚和2-萘酚的吸附性能.結(jié)果表明，HDBAC-Bent對2-萘酚的吸附效果優(yōu)于CTMAB-膨潤土；兩種有機膨潤土對2-萘酚的吸附性能均明顯高于對苯酚的吸附；在苯酚和2-萘酚的復合體系中，2-萘酚優(yōu)先于苯酚被有機膨潤土所吸附，2-萘酚的存在抑制了苯酚在有機膨潤土中的吸附.

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Adsorption Removal of Phenols from Water by CTMAB-Bent and HDBAC-Bent

WANG Wen-jie, HUI Yu, CHEN Chen, ZHENG Kai-lin, YANG Chao-ying, XU Li-heng

(Department of Environmental Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310013, China)

Aiming to the removal of phenols from water, organobentonites (HDBAC-Bent and CTMAB-Bent) were fabricated with HDBAC and CTMAB as modifiers, and their structure were characterized with FTIR and SEM. The adsorption capacities of organobentonites towards phenols from single-solute and bi-solute system were studied. It was found that the adsorption ability of the two organobentonites towards 2-naphthol was remarkably higher than that towards phenol. In the bi-solute system, the adsorption of 2-naphthol was hardly effected by coexisted phenol, while the existing of 2-naphthol dramatically reduce the adsorption of phenol. Comparing to CTMAB-Bent, the adsorption ability of HDBAC-Bent towards 2-naphthol was much higher.

bentonite; adsorption; organic contamination; water treatment

2015-04-29

浙江省大學生科研創(chuàng)新活動計劃資助項目(2014R409014)

王聞捷(1992-)，男，浙江臺州人,碩士研究生，研究方向：水中有機污染物的處理技術.

TU43

A

1008-536X(2015)09-0033-05