改性膨潤(rùn)土對(duì)甲醛吸附性能的研究

錢(qián)克宇，黃永蘭，李 銘

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

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改性膨潤(rùn)土對(duì)甲醛吸附性能的研究

錢(qián)克宇，黃永蘭*，李 銘

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

甲醛具有揮發(fā)性強(qiáng)、毒性大等特點(diǎn)，已成為不容忽視的空氣污染物之一。以天然鈣基膨潤(rùn)土為原料，先進(jìn)行鈉化改性，然后用十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)為改性劑制備高吸附性能的有機(jī)膨潤(rùn)土，并用其對(duì)甲醛進(jìn)行吸附研究。結(jié)果表明，在最佳投加量4 g、吸附時(shí)間90 min、吸附溫度25 ℃條件下，鈉化膨潤(rùn)土和有機(jī)改性膨潤(rùn)土對(duì)甲醛的去除率分別最高可達(dá)94.4%和96.8%。

改性膨潤(rùn)土；十六烷基三甲基溴化銨；甲醛；吸附

甲醛為較高毒性的物質(zhì)，已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸形物質(zhì)。目前，國(guó)內(nèi)外治理甲醛的方法主要有光觸媒技術(shù)、高壓電負(fù)離子技術(shù)、空氣負(fù)離子技術(shù)、酸堿中和法、生化處理法以及吸附法。其中，前5種方法能耗高，容易二次污染，處理成本較高；而吸附法適用于幾乎所有的揮發(fā)性有機(jī)化合物，且具有脫除效率高、富集功能強(qiáng)、不易造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)[1]。所以，本文采取改性膨潤(rùn)土對(duì)甲醛進(jìn)行吸附性能研究。

膨潤(rùn)土是一種以蒙脫石為主要成分的天然礦物，根據(jù)膨潤(rùn)土的礦物組成及性質(zhì)可將膨潤(rùn)土分為鈣基膨潤(rùn)土和鈉基膨潤(rùn)土。在自然界，以鈣基膨潤(rùn)土為主(占總儲(chǔ)量80%)，兼有鈉基膨潤(rùn)土、氫基膨潤(rùn)土和鋁基膨潤(rùn)土。因膨潤(rùn)土層間易發(fā)生不等價(jià)陽(yáng)離子置換而產(chǎn)生永久性負(fù)電荷，并具有很大的表面積[2-3]，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、鉆井、石油、化工、輕工、紡織、造紙、環(huán)境治理等領(lǐng)域。膨潤(rùn)土的改性及其在環(huán)境污染控制和修復(fù)中的應(yīng)用已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一[4]。本研究用十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改性，期望為去除室內(nèi)和廢水中的揮發(fā)性有機(jī)化合物甲醛的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料：天然鈣基膨潤(rùn)土；氯化鈉、CTMAB、4-氨基-3-聯(lián)氨-5-巰基-1，2，4-三氮雜茂(AHMT)、乙二胺四乙酸二鈉、氫氧化鉀、高碘酸鉀、氫氧化鈉，均為分析純。

主要儀器：大氣采樣器，恒溫振蕩箱，可見(jiàn)分光光度計(jì)，電子天平。

1.2 改性膨潤(rùn)土的制備

1) 膨潤(rùn)土鈉化：取一定量的原鈣基膨潤(rùn)土于燒杯中，加一定的蒸餾水配成泥漿，加適量氯化鈉，加入相當(dāng)于鈣基膨潤(rùn)土質(zhì)量5%的碳酸鈉，攪拌，再加入蒸餾水，使其固液質(zhì)量比1∶10。在90 ℃的恒溫水浴中連續(xù)攪拌反應(yīng)1 h，離心機(jī)分離懸浮液，去掉上清液，在105 ℃下干燥至恒重。研磨過(guò)100目(150 μm)篩，粉碎后得白色粉末狀的鈉質(zhì)膨潤(rùn)土，裝袋備用。

2) 膨潤(rùn)土有機(jī)改性：稱(chēng)取10 g鈉化膨潤(rùn)土，用蒸餾水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的懸浮液，然后加2 g陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲溴化銨，在25 ℃的恒溫條件下振蕩1 h，過(guò)濾、洗滌和抽濾，85 ℃恒溫烘干。在105 ℃對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行活化，研磨，過(guò)100目(150 μm)篩后得到有機(jī)改性膨潤(rùn)土，裝袋備用。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

取一定量的有機(jī)改性膨潤(rùn)土于自制的裝置中，加入1 mL的甲醛溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)，密閉。然后，置于恒溫箱中，于一定溫度下放置一段時(shí)間，通過(guò)大氣采樣器測(cè)定裝置內(nèi)的甲醛濃度。

1.4 分析測(cè)定

甲醛氣體濃度的測(cè)定采用GB/T 16129-1995《居住區(qū)大氣中甲醛衛(wèi)生檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法-分光光度法》(AHMT法)。

2 結(jié)果與討論

2.1 裝置中甲醛初始濃度的確定

在沒(méi)有放置改性膨潤(rùn)土的實(shí)驗(yàn)裝置中，加入1 mL的甲醛溶液，密閉。然后，置于25 ℃恒溫箱中，每隔0.5 h通過(guò)大氣采樣器測(cè)定裝置內(nèi)的甲醛質(zhì)量濃度。結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 25 ℃下無(wú)膨潤(rùn)土裝置內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線

由圖1可知，在25 ℃沒(méi)有放置膨潤(rùn)土情況下，裝置內(nèi)的甲醛質(zhì)量濃度基本在2 h左右達(dá)到一定的穩(wěn)定飽和質(zhì)量濃度0.116 mg/L，以此值為甲醛初始質(zhì)量濃度。所以，每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，先將1 mL的甲醛溶液放入裝置，25 ℃恒溫箱中靜置2.5 h，取出甲醛溶液。

2.2 影響因素的考察

2.2.1 改性膨潤(rùn)土用量對(duì)吸附效果的影響

分別取1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 g的鈉化膨潤(rùn)土和有機(jī)改性膨潤(rùn)土于實(shí)驗(yàn)裝置中，25 ℃下放置1 h，通過(guò)大氣采樣器測(cè)定裝置內(nèi)的甲醛濃度并計(jì)算去除率。改性膨潤(rùn)土用量對(duì)甲醛吸附效果的影響見(jiàn)圖2。

圖2 25 ℃下改性膨潤(rùn)土用量對(duì)甲醛吸附效果的影響

由圖2可知，鈉化膨潤(rùn)土和有機(jī)改性膨潤(rùn)土對(duì)甲醛都有良好的吸附性能。隨著改性膨潤(rùn)土用量的增加，氣體中甲醛的去除率也變大。這是因?yàn)椋?dāng)吸附劑用量較少時(shí)，吸附劑沒(méi)有足夠的吸附容量，甲醛分子不能與吸附劑充分接觸，降低了去除效果。當(dāng)吸附劑量增加時(shí)，能提供更多有效吸附點(diǎn)，去除效果得到顯著提升。而有機(jī)改性膨潤(rùn)土對(duì)甲醛的吸附效果優(yōu)于鈉化膨潤(rùn)土，可能是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)的“相似相溶”，甲醛通過(guò)分配作用進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)中。在本實(shí)驗(yàn)條件下，有機(jī)改性膨潤(rùn)土用量為4 g時(shí)，吸附效果較好。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，用4 g鈣基膨潤(rùn)土對(duì)甲醛進(jìn)行吸附研究，其去除率只有36.8%。可見(jiàn)，改性膨潤(rùn)土的吸附性能明顯高于鈣基膨潤(rùn)土。

2.2.2 時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

分別取4.0 g的鈉化膨潤(rùn)土和有機(jī)改性膨潤(rùn)土于實(shí)驗(yàn)裝置中，25 ℃下分別放置15、30、60、90、120、180 min，通過(guò)大氣采樣器測(cè)定裝置內(nèi)的甲醛濃度并計(jì)算去除率。不同吸附時(shí)間下改性膨潤(rùn)土對(duì)甲醛吸附效果的影響見(jiàn)圖3。

圖3 25 ℃下不同吸附時(shí)間對(duì)甲醛吸附效果的影響

由圖3可知，鈉化膨潤(rùn)土和有機(jī)改性膨潤(rùn)土對(duì)甲醛的去除率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。在0 min～60 min，有機(jī)改性膨潤(rùn)土對(duì)甲醛的去除率增加十分明顯，到90 min時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)?，有機(jī)改性膨潤(rùn)土吸附甲醛先是表面吸附，吸附較快，且吸附量大；隨后，轉(zhuǎn)變?yōu)閷娱g吸附，吸附減慢，去除率增加的幅度變緩，直至達(dá)到吸附平衡[5]。在本實(shí)驗(yàn)條件下，有機(jī)改性膨潤(rùn)土吸附甲醛的最佳時(shí)間為90 min，此時(shí)可認(rèn)為吸附已經(jīng)達(dá)到平衡。

2.2.3 吸附溫度對(duì)吸附效果的影響

分別取4.0 g的鈉化膨潤(rùn)土和有機(jī)改性膨潤(rùn)土于實(shí)驗(yàn)裝置中，分別于15、20、25、30、40、60、80 ℃下放置90 min，通過(guò)大氣采樣器測(cè)定裝置內(nèi)的甲醛濃度并計(jì)算去除率。吸附溫度對(duì)去除率的影響結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同吸附溫度對(duì)去除效果的影響

由圖4可知，隨著溫度的升高，鈉化膨潤(rùn)土對(duì)甲醛的去除率逐漸增大，但增大幅度不大。這是因?yàn)椋瑴囟鹊纳邥?huì)使分子運(yùn)動(dòng)加劇，令氣體的活性增加，有利于氣體的擴(kuò)散，氣體更加容易滲透到膨潤(rùn)土的孔隙當(dāng)中，從而使吸附量增加；而有機(jī)改性膨潤(rùn)土去除率在25 ℃時(shí)達(dá)到最大值，再升高溫度，去除率反而下降，可知其吸附反應(yīng)為放熱過(guò)程?？紤]到實(shí)際氣體的處理，選擇有機(jī)改性膨潤(rùn)土的吸附溫度為25 ℃。

3 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改性，吸附性能明顯改善。

2) 在多因素下探索最佳吸附條件，最佳投加量4 g、吸附時(shí)間90 min、吸附溫度25 ℃，鈉化膨潤(rùn)土和有機(jī)改性膨潤(rùn)土對(duì)甲醛的去除率分別最高可達(dá)94.4%和96.8%。

[1] 陳秋禹，田飛，馮俊，等.微波輻射改性有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)甲醛吸附性能的影響[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，33(3)：346-350.

[2] 史兵方，左衛(wèi)元，仝海娟.改性膨潤(rùn)土對(duì)水體中多環(huán)芳烴的吸附[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2015，9(4)：1680-1686.

[3] 孫銀霞，李新然，任宗禮.復(fù)合改性膨潤(rùn)土的制備、表征及吸附性能研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，33(3):175-180.

[4] 王大衛(wèi)，邵紅，劉相龍，等.PDMDAAC改性膨潤(rùn)土的制備及吸附性能[J].沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29(1)：18-22.

[5] 林濤，付玥，徐永建，等.改性膨潤(rùn)土的制備與表征及對(duì)松香酸的吸附性能研究[J].造紙科學(xué)與技術(shù)，2015，34(3)：49-53.

山西化工

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Study on adsorption of modified bentonite for formaldehyde

QIAN Keyu,HUANG Yonglan*, LI Ming

(College of Chemical Engineering, Yangzhou Polytechnic Institute, Yangzhou Jiangsu 225127, China)

Formaldehyde has become one of the air pollutants that not allow to be ignored because of its strong volatility and high toxicity. The natural calcium base bentonite was used as experimental material, sodium modification was carried out and then hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTMAB) was used as organic modification to prepare high adsorption performance of the formaldehyde. The results showed that the best condition for adsorption was that the optimum dosage was 4 g, the adsorption time was 90 min, the adsorption temperature was 25 ℃, the removal rate of Na bentonite and organic modified bentonite was 94.4% and 96.8%. This results could provide technical reference for the practical application in removing volatile organic compound formaldehyde in wastewater and the indoor.

modified bentonite; hexadecyl trimethyl ammonium bromide; formaldehyde; adsorption

2016-05-04

揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(ykc201512)

錢(qián)克宇，男，1996年出生，應(yīng)用化工專(zhuān)業(yè)。

科研與開(kāi)發(fā)

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2016.05.02

TQ424；X511

A

1004-7050(2016)05-0006-03

*通訊作者：黃永蘭，女，1981年出生，2006年畢業(yè)于南京理工大學(xué)，碩士，講師，從事污染治理研究工作。