坡縷石/硅藻土組合體系的吸附性能研究

成獎(jiǎng)國

（1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025）

坡縷石/硅藻土組合體系的吸附性能研究

成獎(jiǎng)國1，2，3

（1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025）

坡縷石、硅藻土均因很大的比表面積而具有很好的吸附性能，可用于化工和吸附凈化材料領(lǐng)域。本文主要研究了硅藻土/坡縷石組合礦物體系對亞甲基藍(lán)的吸附脫色效果。研究結(jié)果表明，硅藻土/坡縷石組合體系在吸附過程中會(huì)產(chǎn)生一定的協(xié)同互補(bǔ)作用，其吸附效果較單獨(dú)使用硅藻土、坡縷石好；礦物用量、配比及吸附時(shí)間均對組合礦物體系的吸附效果產(chǎn)生影響，其中礦物用量影響最大，吸附時(shí)間影響最小。正交試驗(yàn)優(yōu)化吸附條件為:硅藻土/坡縷石用量0.8g，坡縷石、硅藻土配比為4∶6，吸附時(shí)間為60min；在此條件下組合體系對亞甲基藍(lán)溶液的 脫色率可達(dá)92.5%。

坡縷石；硅藻土；吸附； 組合體系

坡縷石（又稱凹凸棒石）是一種含水的2∶1型層鏈狀鎂質(zhì)鋁硅酸鹽黏土礦物［1］，具有天然的納米孔隙結(jié)構(gòu)，被世界公認(rèn)為稀缺性黏土礦物。它因具有獨(dú)特的層鏈狀晶體結(jié)構(gòu)特征而顯示出質(zhì)輕、吸附性能強(qiáng)、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定等多種優(yōu)良的物理化學(xué)性能，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，被稱為“千種用土，萬土之王”［2］。 坡縷石強(qiáng)的吸附性表現(xiàn)在它既能吸附重金屬離子和大分子、極性有機(jī)分子，又可吸附潤滑油脂、醇、醛、芳香烴鏈等大分子或微菌、霉塊等有機(jī)物，目前廣泛應(yīng)用于石油、化工、環(huán)保等行業(yè)［3-7］。我國坡縷石資源豐富，儲(chǔ)量居世界首位，僅在甘肅靖遠(yuǎn)和會(huì)寧兩地發(fā)現(xiàn)的坡縷石礦，探明儲(chǔ)量達(dá)11億t，占世界的4/5［8-9］。

硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，主要由古代硅藻的遺骸所組成。其化學(xué)成分以SiO2為主，可用SiO2·nH2O表示，易溶于強(qiáng)堿及氫氟酸，礦物成分為蛋白石及其變種。硅藻殼體有大量微孔，孔隙度達(dá)65%～92%，其微孔含量是木炭的5000～6000倍，吸附性能超強(qiáng)。我國硅藻土主要集中在華東及東北地區(qū)［10］，其土比重小，孔隙大，吸附性強(qiáng)，用途十分廣泛，但其SiO2含量較低，僅64.80%，是一種黏土質(zhì)的硅藻土［11］。國內(nèi)硅藻土主要用于助濾劑、保溫材料、生態(tài)建材、吸附劑及載體材料、水處理劑等環(huán)境治理材料及各類填料等［12-14］。

印染廢水中的染料對環(huán)境安全及人體健康有較大的影響，同時(shí)廢水中的染料會(huì)影響水體自凈，影響水體中微生物及魚類的安全，危害生態(tài)環(huán)境。因此，處理廢水中的有毒物的研究一直受到大量關(guān)注［15-17］。本文主要基于硅藻土和坡縷石黏土共同的強(qiáng)吸附性，研究硅藻土/坡縷石黏土組合體系的吸附性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

研究用的坡縷石黏土來自甘肅靖遠(yuǎn)，塊狀；硅藻土來自浙江省嵊州市，粗顆粒狀。將硅藻土和坡縷石原礦經(jīng)干燥后，采用實(shí)驗(yàn)室顎式破碎機(jī)和行星球磨機(jī)粉碎至過0.074mm篩后，封裝備用。坡縷石黏土和硅藻土樣品的XRF分析結(jié)果顯示，硅藻土主要化學(xué)成分為:SiO264.80%，Al2O316.40%，F(xiàn)e2O32.91%，CaO 0.33%，MgO 0.15%，燒失量 11.6%；坡縷石的主要化學(xué)組成為:Na2O 1.41%，MgO 2.98%，Al2O318.99%，SiO262.55%，K2O 4.15%，CaO 0.12%，TiO20.71%，MnO 0.06%，F(xiàn)e2O35.95%［18］。化學(xué)組成顯示，試驗(yàn)用的坡縷石黏土和硅藻土中的主要成分SiO2和Al2O3含量非常接近。

試驗(yàn)用的主要設(shè)備有:PEX100×100實(shí)驗(yàn)室顎式破碎機(jī)，QM-3SP4行星球磨機(jī)，TD5A-WS離心機(jī)，HJ-4磁力攪拌器，TDL-1850S紫外-分光光度計(jì)，F(xiàn)A1104電子分析天平。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用分光光度法測定溶液中亞甲基藍(lán)（MB）的含量。用電子分析天平準(zhǔn)確稱量干燥品亞甲基藍(lán)0.005g，在小燒杯中全部溶解后完全轉(zhuǎn)移進(jìn)入250mL容量瓶中，滴加去離子水準(zhǔn)確稀釋到標(biāo)線，配制成濃度為20 mg·L-1的亞甲基藍(lán)溶液，各取該溶液1、2、3、4、5、6、7 mL，分別轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶中，加去離子水稀釋至標(biāo)線，配制成濃度為0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4、2.8 mg·L-1的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。

依次用紫外-分光光度計(jì)在特征波長665nm處檢測所配制的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度值，繪制濃度與吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果如圖1所示。

圖1 亞甲基藍(lán)溶液的濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

將吸附試樣對固定濃度的亞甲基藍(lán)溶液進(jìn)行吸附試驗(yàn)，采用紫外-可見分光光度計(jì)測定吸附后溶液的吸光度，將試驗(yàn)測得的吸光度與亞甲基藍(lán)的吸附標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行比對，可得吸附后溶液中亞甲基藍(lán)的濃度數(shù)值，依據(jù)式（1）計(jì)算礦物試樣對亞甲基藍(lán)溶液的脫色率。

式中:η為溶液的脫色率；C0為吸附前亞甲基藍(lán)的初始濃度；C為吸附后的亞甲基藍(lán)溶液的濃度。

采用坡縷石和硅藻土及混合礦物對亞甲基藍(lán)溶液的脫色率來表征其吸附性能。

1.3 試驗(yàn)步驟

1.3.1 原礦吸附的單因素實(shí)驗(yàn)

首先確定坡縷石和硅藻土的用量。加入不同質(zhì)量的坡縷石、硅藻土試樣，測定同一濃度亞甲基藍(lán)溶液的吸附情況。在磁力攪拌器上常溫?cái)嚢栉?0min，然后對懸浮液進(jìn)行離心分離后取上層清液，以蒸餾水為參比測定吸光度。依據(jù)式（1）計(jì)算出坡縷石和硅藻土對亞甲基藍(lán)溶液的脫色率，分別以脫色率最大時(shí)的坡縷石、硅藻土用量為后續(xù)單因素試驗(yàn)的最佳用量。

最佳吸附時(shí)間的確定。在最佳坡縷石、硅藻土用量下，分別攪拌吸附20、30、40、50min，重復(fù)吸光度的測定過程，以脫色率最大的攪拌吸附時(shí)間為最佳吸附時(shí)間。

坡縷石和硅藻土的混合吸附試驗(yàn)。分別按照坡縷石、硅藻土配比為8∶2、6∶4、5∶5、4∶6、2∶8稱取原礦試樣，重復(fù)吸附脫色試驗(yàn)過程，逐次測定吸光度并計(jì)算脫色率，確定脫色率最大的坡縷石和硅藻土配比為最佳配比。

1.3.2 正交實(shí)驗(yàn)

以礦物用量、礦物配比和吸附時(shí)間為考察因素，在單因素試驗(yàn)所得最佳礦物用量、吸附時(shí)間和配比結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行三因素三水平的吸附正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 不球磨混合坡縷石/硅藻土正交試驗(yàn)的因素與水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 單一礦物的吸附性能比較

2.1.1 硅藻土、坡縷石用量對吸附性能的影響

圖2為吸附時(shí)間10min時(shí)，硅藻土和坡縷石用量對亞甲基藍(lán)的脫色效果。從圖2可以看出，坡縷石的吸附性相對比較穩(wěn)定，隨著用量增加，脫色效果逐漸提高；硅藻土的脫色效果在開始隨用量增加緩慢上升，但在用量超過一定值（0.6g）后，脫色率突然快速上升。

圖2 礦物用量對吸附效果的影響

2.1.2 吸附時(shí)間對硅藻土、坡縷石吸附性能的影響

圖3 吸附時(shí)間對吸附效果的影響

2.2 硅藻土/坡縷石混合體系的吸附性能試驗(yàn)

2.2.1 混合體系不同用量下的吸附效果

圖4 組合礦物用量對吸附效果的影響

圖4為坡縷石/硅藻土配比為2∶8，吸附時(shí)間為10min時(shí)，礦物組合體系用量對吸附效果的影響。從圖4中可以看出，隨著組合體系用量的增加，體系對亞甲基藍(lán)溶液的脫色率變化在開始時(shí)快速上升，然后伴隨有略微下降后又以較緩慢的趨勢繼續(xù)上升。開始上升很快的原因是組合礦物體系對于固定濃度的亞甲基藍(lán)溶液遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有滿足需求。

2.2.2 組合體系吸附不同時(shí)間的吸附效果

圖5為坡縷石/硅藻土配比為2∶8，混合礦物用量為0.7000g時(shí)，組合體系的脫色效果隨吸附時(shí)間的變化關(guān)系曲線。從中可以看出，組合礦物的吸附效果總體上隨吸附時(shí)間的增加而上升，且上升速率比較平穩(wěn)；在吸附30min時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)脫色率基本保持不變的平臺(tái)，該平臺(tái)在持續(xù)10min后又開始上升。脫色率在30min處脫色率在一段時(shí)間內(nèi)保持不變的原因應(yīng)該是礦物組合體系在該處達(dá)到了表面單分子層吸附飽和，后期脫色率繼續(xù)上升表示表面吸附的亞甲基藍(lán)分子部分?jǐn)U散進(jìn)入到了硅藻土和坡縷石的內(nèi)部孔隙中，使得其表面吸附出現(xiàn)空位而繼續(xù)發(fā)生吸附現(xiàn)象。圖5中所呈現(xiàn)的變化趨勢總體符合吸附的一般規(guī)律。

圖5 組合體系吸附時(shí)間與脫色率變化曲線

2.2.3 組合體系配比對吸附性能的影響

圖6 礦物配比對吸附效果的影響

圖6為混合礦物用量為0.7000g，吸附時(shí)間10min時(shí)，坡縷石/硅藻土的配比與脫色效果的變化關(guān)系。從圖6中可以看出，隨著坡縷石配量的增加，混合體系的脫色效果呈現(xiàn)先稍微增加后快速下降的趨勢，這與前面的單一礦物試驗(yàn)結(jié)果基本相吻合。硅藻土的吸附性能稍優(yōu)于坡縷石，坡縷石的配比增加，在體系總質(zhì)量不變的情況下，硅藻土用量減小，因此會(huì)呈現(xiàn)出后期的脫色率下降趨勢。開始時(shí)硅藻土含量降低后脫色率呈現(xiàn)出的少許增加，可能是由于硅藻土和坡縷石之間因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)差異而產(chǎn)生一定的協(xié)同效應(yīng)。

綜合對比圖2和圖4，圖3和圖5可以發(fā)現(xiàn)，坡縷石/硅藻土組合體系比單一礦物對亞甲基藍(lán)溶液的脫色效果均有所提升，這說明硅藻土和坡縷石各自的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使得二者所組成的混合體系在對亞甲基藍(lán)溶液進(jìn)行吸附時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的協(xié)同互補(bǔ)作用，從而提高體系吸附效果。

2.3 硅藻土/坡縷石混合體系吸附的正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，按照表1中的因素和水平，對坡縷石/硅藻土混合體系吸附亞甲基藍(lán)溶液進(jìn)行正交試驗(yàn)，進(jìn)一步對吸附條件進(jìn)行優(yōu)化。正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析結(jié)果列于表2。從表2中可以看出，組合礦物對亞甲基藍(lán)的脫色率最高可達(dá)到92%，最小為84%。極差分析結(jié)果表明，硅藻土/坡縷石體系在吸附試驗(yàn)中，影響吸附效果的最主要因素是混合體系用量，其次為坡縷石/硅藻土的配比，吸附時(shí)間對吸附效果的影響最小。混合體系吸附亞甲基藍(lán)的最佳因素組合為坡縷石/硅藻土用量0.8g，坡縷石、硅藻土配比為4∶6，吸附時(shí)間為60min。其中坡縷石、硅藻土的配比與單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致。

表2 坡縷石/硅藻土組合體系吸附的正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

在優(yōu)化后的條件下進(jìn)行吸附試驗(yàn)，組合體系對亞甲基藍(lán)溶液的脫色率可達(dá)92.5%。

3 結(jié)論

1）單因素試驗(yàn)研究結(jié)果表明，本研究中所使用的硅藻土的吸附效果比坡縷石好，可達(dá)90.2%；硅藻土、坡縷石對亞甲基藍(lán)的吸附作用開始時(shí)速度較快，吸附作用基本在30min內(nèi)完成。

2）坡縷石/硅藻土組合體系的用量、配比及吸附時(shí)間均對混合礦物體系的吸附效果有影響，其中礦物用量影響最大，吸附時(shí)間影響最小。優(yōu)化吸附條件為:硅藻土/坡縷石用量0.8g，坡縷石、硅藻土配比為4∶6，吸附時(shí)間為60min。在此條件下組合體系對亞甲基藍(lán)溶液的脫色率可達(dá)92.5%。

3）組合體系的吸附效果較單獨(dú)的坡縷石、硅藻土好，表明二者在吸附過程中會(huì)產(chǎn)生一定的協(xié)同互補(bǔ)作用。

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Research on Adsorption Properties of Palygorskite/Diatomite Combination System

CHENG Jiang-guo1，2，3
（1. Mining College， Guizhou University， Guiyang 550025， China； 2. Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources， Guiyang 550025， China； 3. Guizhou Engineering Laboratory of Effective Utilization of Re gional Mineral Resources， Guiyang 550025， China）

With large specific surface area， the palygorskite and diatomite were both had good adsorption properties， and could be used in the areas of chemical and adsorption purifi cation materials. In this paper， the adsorption and decolorazing effect of the mixed mineral system of palygorskite/diatomite on the methylene blue solution was studied. Results showed that the palygorskite/ diatomite system could make some certain coordination and complementation effects in the adsorption process， and their adsorption effect was better than using diatomite and palygorskite individually. The mineral quantities， combination ratio and adsorption time could infl uence the adsorption effect of mineral combination system. In these factors， the most infl uential was the mineral quantitie and the adsorption time was the smallest one. The optimum adsorption conditions got from the orthogonal experiment were: the total amount of palygorskite/diatomite was 0.8g， the ratio of palygorskite to diatomite was 4:6， the adsorption time was 60min， and the decolorization rate of palygorskite/diatomite system on the methylene blue solution reached 92.5% under the optimum adsorption conditions.

palygorskite； diatomite； adsorption； combination system

TQ 424.2

A

1671-9905（2016）10-0014-05

成獎(jiǎng)國（1981-），男，漢族，陜西省武功縣人，講師，碩士，在讀博士，主要從事礦物加工和礦物材料研究及教學(xué)工作。電話:13885041743，E-mail: jgcheng@gzu.edu.cn

2016-08-12