水熱法合成沸石及對Cu2+吸附性能的研究

韓曉晶，高淑娟

（呂梁學(xué)院化學(xué)化工系，山西 呂梁 033001）

水熱法合成沸石及對Cu2+吸附性能的研究

韓曉晶，高淑娟

（呂梁學(xué)院化學(xué)化工系，山西 呂梁 033001）

本文以粉煤灰為原料合成沸石，對污水中的Cu2+進(jìn)行吸附去除。在堿液濃度為4mol·L-1、液固比為5∶1、晶化時間為8h的條件下，以粉煤灰為原料，在不同的晶化溫度下合成沸石。以不同晶化溫度下合成的沸石作為吸附劑，Cu2+作為吸附質(zhì)進(jìn)行吸附實驗。結(jié)果表明，溫度為150℃時合成的沸石內(nèi)部孔道完全打開且呈現(xiàn)一定的花瓣結(jié)構(gòu)，同時，對污水中的銅離子的平衡吸附量最大，為241.7mg·g-1。

粉煤灰；沸石；水熱法；吸附

沸石是一種天然的硅鋁酸鹽礦石，其表面和內(nèi)部具有連通孔道，因此其具有優(yōu)良的性能，能夠起到離子交換、催化、吸附、光致變色及儲氫等作用[1-2]。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，用工業(yè)原料合成沸石的主要缺點(diǎn)是原料成本較高，因而人們通過研究發(fā)現(xiàn)了另一種合成沸石的原料替代品——粉煤灰。自1985年Holler H.等[3]等報道了在水熱條件下利用粉煤灰合成沸石以來，研究人員對粉煤灰合成沸石進(jìn)行了大量的研究，目前已成功合成15種以上的沸石[4-7]。同時，粉煤灰沸石在去除水中有機(jī)污染物、放射性元素、重金屬污染等方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[8-12]，極大地推動了粉煤灰沸石的研究發(fā)展。

銅是人體必需的微量元素，對人的生長發(fā)育起重要作用，但銅也是重金屬物質(zhì)，會污染水源，過多的攝入會導(dǎo)致銅中毒[13-17]。因此，本研究以粉煤灰為原料，采用水熱合成法合成人工沸石，考察了不同的水熱合成條件下制得的沸石產(chǎn)品對污水中Cu2+吸附性能的差異。

1 實驗部分

1.1 吸附材料的制備

1.1.1 吸附材料的預(yù)處理

為了去除粉煤灰中未完全燃盡的炭及其他雜質(zhì)，將粉煤灰原料放入馬弗爐中于600℃的溫度下高溫焙燒1h，使粉煤灰中的炭和硫充分氧化，鹽類分解完全，氣體排除。玻璃相熔融產(chǎn)生大量液相，使粉煤灰質(zhì)地緊密。

為了進(jìn)一步去除粉煤灰中的鐵、鉀、鈣等金屬離子雜質(zhì)，增強(qiáng)粉煤灰原料的反應(yīng)活性，將焙燒好的粉煤灰放入燒杯中，加入2mol·L-1的鹽酸溶液，用磁力攪拌器于80℃下恒溫酸洗2h。

將酸處理后的粉煤灰過濾、洗滌若干次，直至濾液為中性，之后干燥、研磨、過篩（0.74mm）備用。

1.1.2 吸附材料的制備

將一定濃度的NaOH溶液與預(yù)處理過的粉煤灰，按一定液固比混合攪拌30min。之后將混合液置于反應(yīng)釜中，分別于90℃、120℃、150℃真空恒溫晶化8h。待反應(yīng)結(jié)束后，冷卻、過濾、洗滌，直至濾液pH值為中性，最后干燥至恒重，即得沸石FA-1、FA-2、FA-3。

1.2 吸附實驗

1.2.1 不同吸附劑對Cu2+吸附效果的影響

分別量取5份50mL、100mg·L-1的Cu2+溶液于不同碘量瓶中，依次加入質(zhì)量相同的5種吸附劑[未處理過的粉煤灰(FA)、預(yù)處理過的粉煤灰(FA-0)、FA-1、FA-2、FA-3]，以一定的速度（150r·min-1）在恒溫氣浴震蕩器中進(jìn)行吸附反應(yīng)。待反應(yīng)結(jié)束后，過濾取上層清液，采用火焰原子吸收法測定濾液中Cu2+的含量，按式（1）、式（2）計算不同吸附劑對Cu2+的平衡吸附量和去除率。

式中，Qe為平衡吸附量，mg·g-1；C0為Cu2+的初始濃度，mg·L-1；Ce為吸附平衡時濾液濃度，mg·L-1；V為反應(yīng)液的體積，mL；m為加入吸附劑的質(zhì)量，mg；R為去除率，%。

1.2.2 不同pH對吸附效果的影響

選擇FA-2作為吸附劑，在與上述實驗相同的條件下，用NaOH和HCl調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH值，使其處于一定的pH范圍內(nèi)?？疾觳煌琾H對平衡吸附量的影響，從而找出反應(yīng)的最佳pH值。

2 結(jié)果與討論

2.1 沸石的表征

圖1為不同吸附劑的微觀形貌圖。由圖1可知，未處理的粉煤灰呈現(xiàn)無規(guī)則凌亂的顆粒狀態(tài)，結(jié)構(gòu)密實，內(nèi)部孔道完全堵塞，阻礙粉煤灰與外界物質(zhì)的反應(yīng)。(b)、(c)、(d)這3個圖為粉煤灰經(jīng)過堿溶后的微觀形貌圖，可以看出隨著晶化溫度升高，沸石的孔道逐漸被打開。當(dāng)晶化溫度為150℃時，沸石的形貌特征清晰地呈現(xiàn)出花瓣狀結(jié)構(gòu)，此時，粉煤灰內(nèi)部孔道完全打開。

圖1 不同晶化溫度合成沸石的掃描電鏡圖

2.2 吸附實驗

2.2.1 不同吸附劑對Cu2+吸附效果的影響

表1為不同吸附劑對Cu2+的平衡吸附量及去除率。從表1中可知，F(xiàn)A-3對Cu2+的吸附量最大，去除率最好。對FA而言，去除效果比FA-1、FA-2效果好的主要原因，是FA中含有的未燃盡的炭及一些雜質(zhì)離子、鹽類等，對Cu2+均有吸附效果，主要為雜質(zhì)吸附。FA-3不僅具有特定沸石的良好的結(jié)構(gòu)，而且具有較好的吸附效果，其吸附主要是自身的孔道吸附，為物理吸附。

表1 不同吸附劑對Cu2+的吸附結(jié)果

2.2.2 pH對吸附效果的影響

圖2為不同pH對Cu2+吸附影響的結(jié)果。從圖2中可以看出，隨著pH的升高，平衡吸附也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，當(dāng)pH為5.5時，平衡吸附量達(dá)到最大，隨著pH的繼續(xù)升高，對Cu2+的吸附又呈下降趨勢。因此，pH為5.5左右時，平衡吸附量最大。

圖2 pH對Cu2+吸附效果的影響

3 結(jié)論

1）本實驗利用工業(yè)廢渣粉煤灰為原料，合成得到高純度的人工沸石。SEM分析表明，粉煤灰呈緊實的不規(guī)則的顆粒狀，通過高溫堿熔處理后，其結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生改變，當(dāng)溫度為150℃時，合成的沸石呈現(xiàn)清晰的花瓣狀結(jié)構(gòu)。

2）從幾種不同的吸附劑對Cu2+的吸附效果可以看出，F(xiàn)A-3的吸附效果最好，去除率達(dá)到了99.59%，且pH為5.5左右時，吸附效果達(dá)到最好。

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Synthesis of Hydrothermal Zeolite and Adsorption Performance of Copper Ion

HAN Xiaojing, GAO Shujuan
(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Lvliang University, Lvliang 033001, China)

In this paper, fl y ash was used as raw material to synthesis of zeolite to remove Cu2+in sewage. When the concentration of alkali was 4mol/L, the liquid to solid ratio was 5:1, the crystallization time was 8h, the zeolite was synthesized with fl y ash under diあerent crystallization temperature. The zeolite synthesized under diあerent crystallization temperature was used as adsorbent and Cu2+as adsorbate, the adsorption experiment was carried out. The results showed that when the crystallization temperature was 150℃, the inner pore of the zeolite was completely opened and presented a de fi nite petal structure. Meanwhile, the amount of equilibrium adsorption of copper in the wastewater was 241.7mg/g, which was the maximum.

fl y ash; zeolite; hydrothermal method; adsorption

TQ 424.25；TQ 536.4

A

1671-9905(2017)12-0016-03

呂梁學(xué)院青年基金（ZQQN201620））

韓曉晶（1986-），女，博士，講師，研究方向：功能材料及水處理，E-mail: 418663757@qq.com

2017-08-31