大同膨潤土對陽離子黃（X-8GL）染料廢水脫色的實(shí)驗(yàn)研究

渠 汛，管俊芳，2，方 紀(jì)，李 晨，呂 灝，程飛飛（.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

大同膨潤土對陽離子黃（X-8GL）染料廢水脫色的實(shí)驗(yàn)研究

渠 汛1，管俊芳1，2，方 紀(jì)1，李 晨1，呂 灝1，程飛飛1
（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

以2種大同膨潤土為脫色劑，通過其對陽離子黃X-8GL染料的脫色試驗(yàn)，探討吸附時間、溫度、膨潤土的粒度、投加量、染料廢水的初始pH、初始濃度對其脫色率和吸附量的影響，優(yōu)化出最適宜的吸附條件，并研究其動力學(xué)和熱力學(xué)。結(jié)果表明，在溫度為25℃、染料初始pH=7的條件下，當(dāng)膨潤土投加量為0.5g·L-1、陽離子黃濃度為50mg·L-1時，1號和2號膨潤土礦樣對陽離子黃的脫色效果最好，其脫色率分別為94.85%、98.82%，吸附量分別為94.85mg·g-1、98.82mg·g-1。吸附更符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，與Langmuir吸附等溫式的擬合性更好。吸附過程是自發(fā)的吸熱反應(yīng)，同時包含物理吸附和化學(xué)吸附，吸附后不易發(fā)生解析脫附。膨潤土對X-8GL染料的脫色機(jī)理是表面吸附和離子交換吸附的共同作用。

大同膨潤土；陽離子黃X-8GL；脫色作用；吸附動力學(xué)；吸附熱力學(xué)

染料廢水成分復(fù)雜、色度深、難以自然降解，已成為當(dāng)今水體污染的重要來源之一［1］。采用黏土礦物為處理染料廢水的吸附劑，具有來源廣泛、應(yīng)用范圍廣、成本低的優(yōu)點(diǎn)［2-3］。肖子敬等［4］將膨潤土制成多孔黏土材料，并用其對陽離子紅X-GRL染料進(jìn)行脫色處理。劉承帥等［5］考察了6種不同地區(qū)的膨潤土原礦對陽離子染料亞甲基藍(lán)的脫色作用。大量文獻(xiàn)研究報道了膨潤土對陽離子紅、亞甲基藍(lán)等陽離子染料的脫色作用，而對膨潤土吸附陽離子黃則鮮有報道。論文采用2種大同膨潤土原礦為吸附劑，處理陽離子黃X-8GL模擬廢水，評價該膨潤土對陽離子黃染料的脫色性能，為山西膨潤土的資源化利用和染料廢水的合理有效處理提供參考依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)用膨潤土

將從山西大同市渾源縣采集的2種膨潤土原礦編號為1號和2號（1號為偏紅色，2號為偏白色），2種膨潤土的化學(xué)成分結(jié)果見表1，礦物組成及含量見表2。膨潤土經(jīng)破碎、混勻、縮分、研磨處理后，在溫度為105℃的烘箱中烘2h左右，放置于干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

表1　膨潤土的化學(xué)成分測試結(jié)果Table 1　The chemical composition of bentonite　　/%

表2　膨潤土礦物組成及含量Table 2　The mineral content of Bentonite

1.2 模擬染料廢水制備

用分析天平準(zhǔn)確稱取陽離子黃X-8GL（以下簡稱X-8GL）染料200mg，用去離子水溶解定容至1L，配制成200mg·L-1的染料母液，保存在棕色容量瓶中備用。根據(jù)具體試驗(yàn)情況再稀釋為所需濃度，得到陽離子黃模擬染料廢水。

1.3 脫色試驗(yàn)方法

分別稱取0.074mm粒級一定質(zhì)量的2種膨潤土于250mL錐形瓶中，加入一定初始濃度的X-8GL溶液100mL，在25℃、140r·min-1水浴振蕩器中反應(yīng)一定時間，吸取錐形瓶上層溶液到離心管，離心分離5min，測其上清液吸光度。

2　結(jié)果與討論

2.1 時間對脫色的影響

膨潤土對X-8GL的脫色率隨時間的變化曲線見圖1。在40min內(nèi)，膨潤土對X-8GL的脫色率為線性關(guān)系，60min時2種膨潤土礦樣對X-8GL染料的脫色率基本一致，說明在這個時間吸附達(dá)到平衡，可確定為反應(yīng)平衡時間。

圖1　時間對X-8GL脫色率的影響Fig. 1　The effect of time on decolorization rate of X-8GL dye

2.2 投加量對脫色的影響

固定吸附時間為60min，在染料廢水初始pH=7、室溫（25℃）的條件下，X-8GL脫色率隨膨潤土投加量的變化曲線見圖2。隨著投加量由0.2g·L-1增加到0.5g·L-1，1號和2號膨潤土礦樣對X-8GL的脫色率分別由68.01%增加到94.86%，繼續(xù)增大投加量到0.7g·L-1，X-8GL的脫色率基本保持不變，吸附量繼續(xù)減小。可以確定2種膨潤土礦樣對X-8GL的最佳投加量都是0.5g·L-1。

圖2　膨潤土投加量對脫色率的影響Fig.2　The effect of bentonite dosage on decolorization rate

2.3 初始濃度對脫色的影響

固定膨潤土的投加量為0.5mg·L-1，X-8GL染料廢水初始濃度與脫色率的關(guān)系曲線見圖3。當(dāng)X-8GL的初始濃度從20mg·L-1增加到50mg·L-1，2號礦樣對X-8GL的脫色率基本保持不變，維持在98%左右，1號礦樣對X-8GL的脫色率從97.27%降低到94.86%，降低的幅度不大；繼續(xù)增加初始濃度，其脫色率明顯下降。在X-8GL初始濃度為50mg·L-1時，膨潤土對X-8GL的吸附效果最好。

圖3　X-8GL初始濃度對脫色率影響Fig. 3　The effect of initial dye concentration on decolorization rate

2.4 初始pH對脫色的影響

X-8GL初始溶液pH分別為2、4、6、7、8、10、12時，脫色率變化曲線見圖4。X-8GL的脫色率在堿性條件下明顯大于酸性條件；當(dāng)pH＜6，膨潤土礦樣對X-8GL的脫色作用會受到抑制，這是因?yàn)榧铀釙种起ね恋V的分散、膨脹和轉(zhuǎn)移［6］，使其產(chǎn)生絮凝團(tuán)聚作用。此外，在水溶液中的X-8GL染料分子以陽離子形式存在，pH較低時，有較多的H+包圍在吸附劑礦物的表面，這些H+會與染料中的陽離子爭相結(jié)合吸附劑表面的活性點(diǎn)位，從而對吸附脫色產(chǎn)生抑制作用，降低脫色率和吸附量；pH較高時，吸附劑表面帶負(fù)電荷，由于靜電引力作用，可以結(jié)合較多的陽離子［7-8］，有利于脫色反應(yīng)的發(fā)生。若pH＞7，其脫色率基本不再變化，但會縮短吸附平衡時間。

圖4　X-8GL初始pH對脫色率的影響Fig. 4　The effect of X-8GL initial pH on decolorization rate

2.5 溫度對脫色的影響

不同溫度條件下1號和2號膨潤土對X-8GL染料的脫色率隨時間變化的曲線見圖5、圖6。溫度主要影響脫色反應(yīng)的平衡時間，溫度越高，完成吸附所用時間越短，但對最終的脫色率和吸附量并沒有很大的影響。因此，在對X-8GL染料的脫色處理中，采用常溫（25℃）即可。

圖5　不同溫度下1號樣脫色時間-脫色率曲線Fig.5　The decoloration time - decolorization rate curve of No. 1 sample at different temperature

圖6　不同溫度下2號樣對脫色時間-脫色率曲線Fig. 6　The decoloration time - decolorization rate curve of No. 2 sample at different temperature

2.6 適宜條件試驗(yàn)

2種膨潤土對X-8GL的適宜條件及其脫色率和吸附量見表3。

表3　膨潤土處理X-8GL染料的適宜條件Table3　The suitable test conditions of decolorization of cationic yellow dye by Bentonite

2.7 動力學(xué)和熱力學(xué)研究

2.7.1 動力學(xué)模型

脫色反應(yīng)的準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級、內(nèi)擴(kuò)散動力學(xué)［9］模擬參數(shù)見表4。表中qt為t時刻的吸附量，mg·g-1，q2為平衡吸附量，k1、k2為準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級反應(yīng)速率平衡常數(shù)，R1、R2為相關(guān)系數(shù)。由表4可知，膨潤土對2種染料的吸附動力學(xué)與準(zhǔn)二級動力學(xué)模型擬合良好。

表4　膨潤土吸附X-8GL的動力學(xué)模型參數(shù)Table 4　The parameters of kinetics model of adsorption of cationic yellow dye by Bentonite

2.7.2 等溫吸附模型

膨潤土處理X-8GL染料的Langmuir（L型）等溫式、Freundiich（F型）等溫式［10］模型參數(shù)見表5，表中Qo為理論最大吸附量，KL、KF為吸附常數(shù)，n為待定系數(shù)。由表5可知，膨潤土對X-8GL染料的吸附等溫線更符合L型，說明其脫色過程含有化學(xué)吸附，以單分子層的吸附為主。

表5　膨潤土吸附X-8GL染料的等溫模型Table 5　The parameters of adsorption isotherm model of X-8GL by Bentonite

2.7.3 熱力學(xué)參數(shù)

膨潤土吸附X-8GL染料的各項(xiàng)熱力學(xué)參數(shù)見表6，吸附自由能△G＜0，吸附焓變0＜△H ＜40kJ·mol-1，熵變△S＞0，這說明膨潤土對X-8GL染料的脫色過程是自發(fā)的吸熱過程，反應(yīng)過程不可逆，不易發(fā)生解析脫附［11］。

表6　膨潤土吸附X-8GL的熱力學(xué)參數(shù)Table 6　The parameters of thermodynamics of　decolorization of cationic yellow dye by Bentonite

2.8 吸附機(jī)理探討

2種大同膨潤土對X-8GL有良好的脫色作用，這是由膨潤土中所含礦物的結(jié)構(gòu)特征決定的。首先，蒙脫石的礦物顆粒外表面帶有一定的可變負(fù)電荷，這些負(fù)電荷使其表面產(chǎn)生負(fù)電性，在溶液中容易和帶正電性的陽離子染料之間發(fā)生電中和作用，從而使陽離子染料比較容易附著在膨潤土表面形成表面吸附［12］；另外，膨潤土表面羥基由于氫鍵和范德華力作用可以將染料分子吸附到表面和層間；其次，蒙脫石層間的陽離子具有交換性，容易與X-8GL染料分子（離子）發(fā)生離子交換作用［13］。

2種膨潤土盡管礦物組成有較大的差異，但對陽離子染料X-8GL的脫色率和吸附量相近，這是因?yàn)楸M管1號樣蒙脫石含量低，但是含有片沸石，片沸石對陽離子染料［14］具有很好的脫色作用，1號膨潤土對X-8GL染料的脫色是蒙脫石和沸石共同作用的結(jié)果。

3　結(jié)論

1）在常溫（25℃）、中性（pH=7）的環(huán)境下，當(dāng)2種大同膨潤土投加量為0.5g·L-1、X-8GL染料廢水濃度為50mg·L-1時，其脫色效果最好，1號、2號膨潤土的脫色率分別達(dá)到94.85%、98.82%，吸附量分別為94.85mg·g-1、98.82mg·g-1。

2）膨潤土對X-8GL染料的吸附動力學(xué)更符合準(zhǔn)二級動力學(xué)和內(nèi)擴(kuò)散模型模型，吸附等溫線均與Langmuir吸附等溫式擬合性更好，吸附自由能△G ＜0，吸附焓變0＜△H＜40kJ·mol-1，吸附熵變△S＞0，說明膨潤土對陽離子染料和直接染料的吸附過程是自發(fā)的吸熱反應(yīng)，以物理吸附為主，同時包含化學(xué)吸附作用，吸附過程不可逆，吸附后不易發(fā)生解析脫附。

3）不經(jīng)任何加工的2種天然大同膨潤土對X-8GL染料都具有優(yōu)良的脫色作用，其脫色率均可達(dá)95%以上，可直接用于X-8GL染料廢水的處理應(yīng)用。膨潤土對X-8GL染料的脫色機(jī)理是表面吸附和離子交換吸附的共同作用。

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Study of Decolorization of Cation Yellow X-8GL Dye Wastewater by Datong Bentonite

QU Xun1， GUAN Jun-fang1，2， FANG Ji1， LI Chen1， LYU Hao， CHENG Fei-fei1
（1..School of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China；2.Hubei Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment， Wuhan 430074， China）

Through the decolorization test of cationic yellow X-8GL by two kinds of bentonite from Datong， the effect of time，temperature， pH， bentonite dosage， the initial concentration of dye wastewater on decolorization rate and adsorption capacity were investigated， and the optimization of adsorption conditions were obtained. The result showed that at room temperature （25℃） and neutral （pH=7） environment， when the dosage of No.1 and No.2 bentonite was 0.5g/L and concentration of cationic yellow was 50mg/L， the decolorization was best， the decolorization rate of cationic yellow dye could reach 94.85%， 98.82% respectively， and the adsorption capacity was 94.85mg/g， 98.82mg/g， respectively. The adsorption process fitted pseudo-second order kinetic model and Langmuir isotherm better， it was endothermic reactions spontaneous， contained both physical adsorption and chemical adsorption， less prone to desorption. Adsorption mechanism of cationic yellow X-8GL dye was ion exchange and interaction surface physical adsorption.

Datong bentonite； cationic yellow X-8GL； decolorization； adsorption kinetics； adsorption thermodynamics

X 522；TQ 61；TD 985

A

1671-9905（2016）07-0018-04

渠汛（1991-），女，河南南陽人，在讀碩士，主要從事礦物材料應(yīng)用研究。E-mail：1558443728@qq.com

2016-05-20