有序介孔硅對苯胺藍(lán)染料吸附脫色研究

高豐琴，郭新燕，王云芳，王 珊，王曉芳

（咸陽師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

染料廢水具有成分復(fù)雜、色度高、可生化性差等特點(diǎn)，加上對其治理的深度和廣度都不夠，染料廢水對環(huán)境造成了很大影響[1-3]。鑒于染料廢水不易處理的特點(diǎn)，對染料廢水的處理方法也就提出了較高的要求[4]。染料廢水的處理常用的有生物法、吸附法、萃取法、化學(xué)氧化法[5]等。從環(huán)境保護(hù)的角度考慮，使用吸附法可以同時處理多種染料廢水；從資源回收利用的角度考慮，吸附法處理的染料也可以進(jìn)行深化處理并使其有二次利用的可能；而且可以通過選取合適的吸附劑，使染料脫附后可以很便利地實現(xiàn)吸附劑的再生[6-8]。

介孔硅材料原料價格低廉，表面富含硅羥基，容易直接合成各類等級的可控結(jié)構(gòu)，且具有良好的擇形催化作用、高比表面積和強(qiáng)吸附性能[9-10]，成為一種固定化酶、吸附重金屬離子等的優(yōu)良材料。此外，介孔硅材料具有良好的吸附再生性能使其成為極具應(yīng)用前景的新型吸附劑[11-12]。本文合成一種有序介孔硅材料，并將其用于吸附模擬廢水中苯胺藍(lán)染料，通過探討影響吸附的條件，使吸附脫色達(dá)到最佳效果。

1實驗部分

1.1實驗藥品

十六烷基三甲基溴化銨、正硅酸乙酯、苯胺藍(lán)、氨水、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀等均為分析純，未經(jīng)進(jìn)一步純化而直接使用。

1.2介孔硅材料的合成

向1.0 g的十六烷基三甲基溴化銨中加入蒸餾水，磁力攪拌直至固體完全溶解。向其中滴加30.0 mL的正硅酸乙酯和10.0 mL氨水，攪拌直至出現(xiàn)白色絮狀膠體。將白色絮狀膠體抽濾后置于坩堝中，120℃烘箱中干燥3 h。然后，將固體置于馬弗爐中550℃下保持6 h，即制備出白色介孔硅材料。

1.3介孔硅材料表征

透射電鏡分析使用JSM-6380型透射電子顯微鏡；N2吸附-脫附分析采用ASAP3020型氮?dú)庾詣游絻x。

1.4介孔硅材料吸附苯胺藍(lán)的條件探討

實驗以水為介質(zhì)配制苯胺藍(lán)染料，以磷酸氫二鉀和磷酸二氫鉀配制磷酸鹽緩沖液，探討在不同染料初始濃度、不同pH、不同溫度、不同介孔硅材料用量、不同攪拌時間下對苯胺藍(lán)溶液吸附的情況，通過計算對比吸附率找出雙模型介孔硅處理苯胺藍(lán)染料的最佳條件。吸附率計算公式為：吸附率=[(A0-At)/A0]×100%。其中A0、At分別為吸附脫色前后苯胺藍(lán)染料在紫外特征吸收峰598 nm處的吸光度值。

2結(jié)果與討論

2.1介孔硅材料的表征

如圖1（a）所示，可以看出以十六烷基三甲基溴化銨、正硅酸乙酯為原料制備出的介孔材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈蠕蟲狀明暗相間的小孔分布，而且分布較為均勻有序。圖1（b）為N2吸附-脫附等溫線（相對壓力為P/P0）。由1（b）可以看出，吸附等溫線類型是較為典型的Ⅳ型，吸附曲線發(fā)生突越的相對壓力為0.8～1.0，滯后環(huán)比較偏H1型，這意味著該材料的孔為介孔且孔徑分布比較均一。

圖1介孔硅材料的表征

2.2介孔硅材料對苯胺藍(lán)的吸附條件優(yōu)化

2.2.1染料初始濃度對吸附的影響

探討苯胺藍(lán)濃度為0.5～4.0 mmol·L-1范圍內(nèi)對吸附效果的影響。在室溫20℃，吸附材料用量為10.0 mg，攪拌時間為30 min，使用pH為3的緩沖溶液的條件下。由圖2可以看出，介孔硅材料的吸附性能隨染料濃度的增大而減小，說明介孔硅材料對苯胺藍(lán)的脫色能力與染料初始濃度有關(guān)，當(dāng)濃度較小時，吸附率接近100%。為使后續(xù)條件優(yōu)化達(dá)到明顯效果，實驗選取苯胺藍(lán)初始濃度為2.0×10-3mmol·L-1為最佳濃度。

圖2苯胺藍(lán)初始濃度對介孔硅材料吸附的影響

2.2.2溶液pH值對吸附的影響

在室溫20℃，介孔硅材料用量為10.0 mg，攪拌時間為30 min，苯胺藍(lán)染料的濃度為2.0×10-3mmol·L-1的條件下，探討溶液pH對吸附效果的影響。如圖3所示，當(dāng)溶液的pH在2.0～7.0范圍內(nèi)，吸附率變化較為明顯，表明溶液pH值對介孔硅材料吸附苯胺藍(lán)的效果影響較大。在pH 2.0～4.0之間，吸附率均在85%以上，表明介孔硅作為吸附材料，有較寬的pH適用范圍。當(dāng)pH為3.0時，吸附率達(dá)到最大值，故最佳吸附pH為3.0。

圖3 p H值對吸附的影響

2.2.3溫度對吸附的影響

在苯胺藍(lán)染料的濃度為2.0×10-3mmol·L-1，吸附材料用量為10.0 mg，攪拌時間為30 min，使用pH為3.0的緩沖溶液條件下，探討反應(yīng)體系溫度對吸附效果的影響。如圖4所示，介孔硅材料對苯胺藍(lán)的吸附率變化相對較大，表明溫度對介孔硅材料吸附苯胺藍(lán)的性能影響較為顯著。當(dāng)溫度為20℃時，吸附率最大，故選擇20℃為最佳溫度。溫度稍高時，染料的脫附現(xiàn)象可能會變得明顯。50℃時，染料的吸附率約為71%，由于實際染料廢水有時水溫偏高，而71%左右的吸附率對應(yīng)用于實際染料廢水脫色有一定價值。

河堤縱段設(shè)計原則：盡量結(jié)合原河道底坡，并使土方挖填平衡。河道設(shè)計流量393 m3/s（10年一遇），工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級，次要建筑物級別為5級。

圖4溫度對吸附的影響

2.2.4介孔硅材料用量對吸附的影響

在室溫20℃，苯胺藍(lán)染料的濃度為2.0×10-3mmol·L-1，攪拌時間為30 min，使用pH為3.0的緩沖溶液的條件下，探討介孔硅材料用量對吸附效果的影響。如圖5所示，在染料濃度一定的情況下，介孔硅材料用量增大，吸附率逐漸增加。但當(dāng)溶液中染料濃度與吸附劑達(dá)到吸附平衡后，吸附率增加變得緩慢?？紤]到實際應(yīng)用時材料成本和吸附效率的匹配，實驗選取10.0 mg介孔硅為最佳用量。

圖5介孔硅材料用量對吸附的影響

2.2.5攪拌時間對吸附的影響

在室溫20℃，苯胺藍(lán)染料的濃度為2.0×10-3mmol·L-1，吸附材料用量為10.0 mg，使用pH為3.0的緩沖溶液條件下，探討攪拌時間對吸附效果的影響。如圖6所示，隨著攪拌時間延長，吸附率逐漸增加，當(dāng)攪拌時間為40～60 min，吸附率增加不明顯，甚至有下降的趨勢，這可能與攪拌時間過程染料又產(chǎn)生脫附有關(guān)。因此，攪拌時間選取30～40 min為最佳。

圖6 攪拌時間對吸附的影響

3結(jié)論

以十六烷基三甲基溴化銨、正硅酸乙酯為原料制備出一種介孔硅材料。通過透射電子顯微鏡、N2吸附-脫附分析表征表明介孔硅材料為具有有序介孔結(jié)構(gòu)的納米硅材料。通過優(yōu)化吸附條件表明，苯胺藍(lán)初始濃度為2.0×10-3mmol·L-1、溶液 pH值為3.0、溫度為20℃、介孔硅材料用量為10.0 mg、攪拌時間為30 min時吸附效果較好，吸附率可達(dá)95.1%。介孔硅材料作為一種非常有效的吸附劑用于吸附水溶液中苯胺藍(lán)染料，吸附時間短，對pH和溫度適用范圍寬，對廢水的吸附脫色有一定實際意義。

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