復(fù)合改性蒙脫石的制備及對(duì)甲基橙吸附性能的研究

高 爽,孫 晶,劉可可，楊衛(wèi)春,李 偉

(西藏大學(xué) 理學(xué)院，西藏 拉薩 850000)

隨著全球工業(yè)的發(fā)展，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境造成了不同程度的污染，常見(jiàn)有機(jī)污染物的存在，工業(yè)廢水中含有的有機(jī)物，對(duì)人和環(huán)境也有著極大的危害，其中最常見(jiàn)的有機(jī)污染物之一是甲基橙[1-2]，甲基橙是工業(yè)生產(chǎn)中常用的染色劑，主要用于化學(xué)化工行業(yè)中。當(dāng)水中甲基橙含量過(guò)高時(shí)，可威脅水中動(dòng)物的生存，以及植物的生長(zhǎng)，且有一定的毒性、致癌等作用[3-5]，都對(duì)環(huán)境有著較大的傷害，然而我國(guó)對(duì)污水處理的研究起步比較晚，技術(shù)的不足等因素，影響著我國(guó)城市的發(fā)展和居民對(duì)飲用水安全的需求[6]，其治理已成為全球環(huán)境工作急需解決的重難點(diǎn)問(wèn)題之一。目前，在處理廢水的研究中，蒙脫石是一種層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽類(lèi)化合物，其特殊的結(jié)構(gòu)，賦予了蒙脫石很多優(yōu)越的性能，大的比表面積讓蒙脫石有很好的吸附性能，同時(shí)在我國(guó)儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低、分布廣、無(wú)毒污染小且造成的二次污染較小等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣大研究人員的關(guān)注[7-9]。常見(jiàn)的對(duì)蒙脫石改性的方法包括：無(wú)機(jī)改性、有機(jī)改性、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合改性，對(duì)蒙脫石進(jìn)行無(wú)機(jī)改性，可選用部分無(wú)機(jī)鹽的一種或多種，和蒙脫石內(nèi)的陽(yáng)離子進(jìn)行交換，從而達(dá)到增大層間距的目的，無(wú)機(jī)改性后的蒙脫石對(duì)物質(zhì)的吸附能力有顯著提高，且具有較好的穩(wěn)定性，對(duì)蒙脫石進(jìn)行有機(jī)改性，常見(jiàn)的改性劑有季銨鹽、CTAB等有機(jī)物，其中的有機(jī)陽(yáng)離子可與蒙脫石內(nèi)的陽(yáng)離子發(fā)生交換，可以擴(kuò)大蒙脫石之間的層間距，使蒙脫石由親水性轉(zhuǎn)化為疏水性，增強(qiáng)了對(duì)有機(jī)污染物的吸附能力。有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合改性，可結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，不僅提高了對(duì)有機(jī)污染物的吸附率，也提高了對(duì)其他物質(zhì)的吸附能力，在處理工業(yè)廢水方面有著較好的前景[10]。使用不同的改性劑對(duì)蒙脫石進(jìn)行改性，可得到不同的結(jié)果，可根據(jù)科研的需要，對(duì)蒙脫石進(jìn)行不同的改性處理，滿(mǎn)足不同行業(yè)需求。因此本實(shí)驗(yàn)以CTAB和三氯化鐵作為改性劑，探究其對(duì)甲基橙的吸附能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

十六烷基三甲基溴化銨(成都市科龍化工試劑廠)；甲基橙(天津市化學(xué)科技一廠)；蒙脫石(上海精科實(shí)業(yè)有限公司)，三氯化鐵(福晨(天津)化學(xué)試劑有限公司)；722 N可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海箐華科技儀器有限公司)；0.1 mg電子分析天平(上海上平儀器公司)。

1.2 復(fù)合改性蒙脫石的制備

準(zhǔn)確稱(chēng)取6.0009 g的蒙脫石于燒杯中，加水?dāng)嚢?0 min待用；稱(chēng)取CTAB(十六烷基三甲基溴化銨) 1.500 g(364.45 g/mol)于燒杯，溶解攪拌均勻(CTAB的濃度為C1=0.0103 mol/L)，待用；然后稱(chēng)取三氯化鐵2.0003 g于燒杯中，加入蒸餾水，攪拌均勻，待用(三氯化鐵的濃度為C2=0.0185 mol/L)；先將有機(jī)改性劑加入蒙脫石溶液中，攪拌50 min后，再將配置好的無(wú)機(jī)改性劑加入到有機(jī)改性后的蒙脫石溶液中，攪拌50 min，靜置24 h，用真空泵對(duì)改性蒙脫石進(jìn)行抽濾，再用蒸餾水進(jìn)行洗滌，直到向?yàn)V液中加入少許硝酸銀溶液，濾液澄清為止，此時(shí)證明復(fù)合改性蒙脫石已洗滌干凈。把洗滌過(guò)后的復(fù)合改性蒙脫石放入恒溫干燥箱中進(jìn)行干燥，然后研磨，可得到復(fù)合改性的蒙脫石粉末，裝入密封袋中備用。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

用蒸餾水配制質(zhì)量濃度為8 mg/L甲基橙的溶液，再用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度，隨著光波長(zhǎng)的增加，甲基橙稀溶液的吸光度逐漸升高，當(dāng)波長(zhǎng)達(dá)到448 nm時(shí)，吸光度達(dá)到最大值0.714，其最大吸收波長(zhǎng)為448 nm。

配制1、2、4、8、16 mg/L的不同質(zhì)量濃度的甲基橙溶液，在波長(zhǎng)為448 nm的條件下，用722 N可見(jiàn)分光光度計(jì)分別測(cè)定濃度的吸收度，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出甲基橙的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1，相關(guān)系數(shù)R2>0.99，線性關(guān)系較好，可根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算濃度、吸光度，從而進(jìn)一步計(jì)算吸附率，吸附率=(溶液中甲基橙的初始質(zhì)量濃度-改性蒙脫石吸附后溶液中甲基橙的質(zhì)量濃度)/溶液中甲基橙的初始質(zhì)量濃度，單位都為mg/L。

圖1 甲基橙C與A標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.4 復(fù)合改性蒙脫石對(duì)甲基橙最佳吸附條件的探究

1.4.1 最佳吸附時(shí)間

準(zhǔn)確稱(chēng)取6份50 mg的復(fù)合改性后的蒙脫石于燒杯中，分別用25 mL的移液管移取6份濃度為32 mg/L的甲基橙溶液于各個(gè)燒杯中，溫度為20℃，依次攪拌15，30，45，60，75，90，105 min，然后離心3 min，取各自上清液，在波長(zhǎng)為448 nm的條件下，測(cè)其對(duì)應(yīng)的吸光度，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，算出相應(yīng)的吸附率，見(jiàn)圖2，吸附率是先增后降趨勢(shì)，最佳吸附時(shí)間為75 min。

圖2 時(shí)間與吸附率關(guān)系

1.4.2 甲基橙濃度對(duì)吸附率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取復(fù)合改性蒙脫石50 mg于5個(gè)燒杯中，分別用蒸餾水配制質(zhì)量濃度64，32，16，8，4 mg/L的甲基橙溶液，用25 mL的移液管分別移取不同質(zhì)量濃度的甲基橙溶液，分別倒入5個(gè)燒杯中，室溫下攪拌75 min，用離心機(jī)進(jìn)行離心3 min，在波長(zhǎng)為448 nm的條件下，可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定相應(yīng)的吸光度，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的吸附率，關(guān)系如圖3所示，甲基橙濃度從4 mg/L到32 mg/L范圍內(nèi)，吸附率先減小后增大，當(dāng)甲基橙濃度為32 mg/L時(shí)，復(fù)合改性蒙脫石對(duì)甲基橙的吸附率達(dá)到最大值為96.34 %。

圖3 甲基橙濃度與吸附率關(guān)系

1.4.3 固液比對(duì)吸附率的影響

用25 mL的移液管分別移取32 mg/L的甲基橙溶液于八個(gè)燒杯中，分別準(zhǔn)確稱(chēng)取復(fù)合改性后的蒙脫石40、80、120、160、200、240、280、320 mg，置于八個(gè)盛有32 mg/L甲基橙溶液的燒杯中，攪拌75 min后，離心3 min，取上清液，測(cè)其各自的吸光度，計(jì)算吸附后的吸附率，固液比與吸附率的關(guān)系圖如圖4所示，當(dāng)改性蒙脫石的質(zhì)量達(dá)到160 mg之后，復(fù)合改性蒙脫石對(duì)甲基橙的吸附率基本穩(wěn)定都，復(fù)合改性蒙脫石的最佳固液比為6.4∶1。

圖4 固液比與吸附率關(guān)系

1.4.4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

分別準(zhǔn)確稱(chēng)取160 mg的復(fù)合改性蒙脫石和未改性原蒙脫石于兩個(gè)燒杯中，各移取25 mL甲基橙溶液(32 mg/L)，攪拌75 min，離心3 min，取其上清液，在波長(zhǎng)為448 nm的條件下，用722 N可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)其各自的吸光度，計(jì)算出吸附率分別為97.96%、57.41%，復(fù)合改性蒙脫石相對(duì)于未改性的蒙脫石對(duì)甲基橙的吸附率有明顯的提高。

2 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)蒙脫石用CTAB進(jìn)行有機(jī)改性(CTAB的濃度為C1=0.0103 mol/L)，三氯化鐵對(duì)其進(jìn)行無(wú)機(jī)改性(三氯化鐵的濃度為C2=0.0185 mol/L)，得到有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合改性的蒙脫石材料，當(dāng)固液比為6.4∶1，對(duì)濃度為32 mg/L甲基橙左右75 min效果最佳，吸附率為97.96%，相對(duì)于同等條件下的未改性的蒙脫石吸附率僅為57.41%，效果有很大的提高，在水處理方面有著一定的實(shí)際運(yùn)用前景。