鋼渣硅藻土復(fù)合吸附材料的制備及其性能表征

張婕 李瑞元 白浩 任雨軒 王雨馨

摘? 要：該實(shí)驗(yàn)首先對(duì)硅藻土原粉進(jìn)行物理-化學(xué)提純，以鋼渣和硅藻土為基體材料，外加黏合劑、造孔劑進(jìn)行復(fù)配，制備出吸附性能優(yōu)于硅藻土和鋼渣單獨(dú)作為吸附劑使用的一種復(fù)合吸附材料。根據(jù)復(fù)合吸附材料對(duì)甲基橙溶液的吸附能力，確定出最佳制備配比：硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)占36%;鋼渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)占36%;鈉基膨潤(rùn)土為黏合劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占20%;碳酸鈉和淀粉（碳酸鈉∶淀粉=7∶3）為造孔劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占8%。通過(guò)SEM和XRD對(duì)硅藻土和復(fù)合材料的微觀形貌和物相組成進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)提純后硅藻土具有明顯均勻的微孔結(jié)構(gòu)，與鋼渣復(fù)配后，鋼渣粒子均勻分布在硅藻土表面，增大吸附材料的孔隙結(jié)構(gòu)，有利于增加比表面積和吸附點(diǎn)，提高了吸附染色劑的能力。

關(guān)鍵詞：硅藻土? 鋼渣? 吸附

中圖分類號(hào)：TQ314.259 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）01（b）-0001-03

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)在人類生活中占著越來(lái)越大的比例。環(huán)境污染問(wèn)題引起了人們的高度重視，人們的健康和生命安全已經(jīng)受到了染色劑污染的嚴(yán)重危害。在工業(yè)生產(chǎn)中，染色劑隨著水體的排放進(jìn)入河道，造成了嚴(yán)重的水污染。目前，染色劑污水大多情況下采用物理化學(xué)的方法進(jìn)行處理，例如吸附。我們所選取的基體材料-硅藻土在我國(guó)儲(chǔ)備含量豐富，但硅藻土行業(yè)的發(fā)展還處于資源附加值較低的階段，因此，開(kāi)發(fā)研究硅藻土在環(huán)保方面的應(yīng)有具有十分重要的意義。同時(shí)由于硅藻土主要成分為SiO2，且內(nèi)部有大量有序排列的微孔結(jié)構(gòu)，比表面積大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、故其吸附性強(qiáng)，由于自身存在硅羥基，易解離帶負(fù)電性的氫離子，所以對(duì)正電荷吸附能力較強(qiáng)。因此，使用硅藻土處理染色劑污水有較好的前景。

鋼渣是鋼鐵冶煉的副產(chǎn)物，但其具有疏松多孔，比表面積大的特征結(jié)構(gòu)，而且易于沉淀分離。已被廣泛用作于各種廢水處理中的吸附劑。因此，選用鋼渣作為復(fù)合吸附材料的輔材。在該實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)研究吸附法，將天然礦物質(zhì)硅藻土和工業(yè)廢渣資源回收利用制取復(fù)合吸附材料，利用鋼渣優(yōu)良的吸附性能和協(xié)同作用原理復(fù)配出新的硅藻土吸附劑，減少水體污染率，達(dá)到以廢止廢的目的。在維護(hù)水環(huán)境，廢物利用和公眾健康方面具有重大的意義。

1? 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

硅藻土（吉林省臨江市圣邁硅藻土功能材料有限公司）;鋼渣（河北敬業(yè)鋼廠）;鈉基膨潤(rùn)土（吉林省臨江市圣邁硅藻土功能材料有限公司）;甲基橙（天津市大茂化學(xué)試劑廠）;碳酸鈉（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）;氫氧化鈉（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）;淀粉（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

SP-722E型可見(jiàn)光分光光度計(jì)上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;D-MAX/2400型XRD日本理學(xué)公司;Quanta200型SEM美國(guó)FEI公司;KQ-50E型超聲波清洗儀昆山市超聲儀器有限公司;SX-5-12（ASB）型馬弗爐北京科偉永興儀器有限公司;TDL-4型離心機(jī)上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 硅藻土原粉的提純

稱取50g硅藻土試樣于1000mL燒杯中，加入去離子水和一定量的分散劑（0.5%碳酸鈉）使溶液濃度為25%并攪拌均勻。浸泡12h后，硅藻土和部分固體達(dá)到全部沉淀，倒掉上清液和懸浮液除去易溶于水的雜質(zhì)及懸浮物。再加入去離子水將固體全部溶解后攪拌30min再擦洗45min，除去密度較大、顆粒較大的礦物質(zhì)。擦洗后的溶液超聲波5min，將溶液攪拌均勻靜置3.5min進(jìn)行固液分離，留液體并向沉淀下來(lái)的固體中加水溶解攪拌混合后靜置3.5min留液體除去固體。將得到的溶液進(jìn)行抽濾得到固體，加入5%的氫氧化鈉，以固液比為1∶3的比例溶解固體攪拌均勻混合，將溶液放入100℃水浴鍋中進(jìn)行水浴處理2h并不斷攪拌，以除去金屬氧化物，但應(yīng)控制堿濃度，濃度過(guò)大可以使硅藻土本身特有的結(jié)構(gòu)破壞，降低吸附能力甚至沒(méi)有吸附能力。水浴后的溶液抽濾成固體加水稀釋至3000mL并攪拌均勻，靜置24h留固體除去液體。不斷加水稀釋并抽濾直至pH=7。將所得固體在500℃下焙燒1h。將有機(jī)物或高溫易分解的雜質(zhì)除去。

1.3.2 鋼渣/硅藻土復(fù)合吸附材料的制備

分別準(zhǔn)確稱取吸附基體材料硅藻土占總質(zhì)量36%、鋼渣占總質(zhì)量36%、黏合劑（鈉基膨潤(rùn)土）占總質(zhì)量20%、造孔劑（淀粉∶碳酸鈉=3∶7）占總質(zhì)量8%，進(jìn)行混合研磨后，加入燒杯中攪拌均勻。再加入少量去離子水并不斷攪拌使混合物呈粘稠狀，把粘稠狀混合物放入馬弗爐中，在500℃的條件下焙燒90min。焙燒完成后冷卻至室溫用研磨器將固體研磨成粉末。

1.3.3 吸附實(shí)驗(yàn)

精確稱取0.5g甲基橙于燒杯中加入去離子水使甲基橙完全溶解，再加去離子水定容至500mL，得甲基橙濃度為1000mg/L。將配制濃度為1000mg/L的甲基橙染料作為母液，用移液管分別量取母液1mL、2mL、3mL、4mL、5mL，加去離子水并定容至500mL，使?jié)舛确謩e稀釋為2mg/L、4mg/L、6mg/L、8mg/L、10mg/L。使用可見(jiàn)光分光光度計(jì)以去離子水作為對(duì)照樣品，在λ=460nm測(cè)不同濃度甲基橙溶液的吸光度，并繪制的工作曲線（見(jiàn)圖1）。

在錐形瓶中加入適量已知濃度的染料溶液，稱取適量吸附劑投入，將錐形瓶至于水浴恒溫，開(kāi)始振蕩吸附，反應(yīng)結(jié)束后取適量樣品，經(jīng)離心機(jī)離心，取上清液，使用可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)其吸光度，并根據(jù)工作曲線轉(zhuǎn)化成吸附后濃度。

2? 結(jié)果與討論

2.1 不同吸附材料的吸附性能

研究了提純后硅藻土、鋼渣及鋼渣/硅藻土復(fù)合材料對(duì)甲基橙染色劑的吸附情況（見(jiàn)圖2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這3種吸附劑對(duì)甲基橙都有著不同程度的吸附性能，其中，提純后的硅藻土吸附甲基橙的效果優(yōu)于鋼渣對(duì)甲基橙的吸附，但是由于提純后的硅藻土和鋼渣復(fù)配后改變了原有硅藻土的物理結(jié)構(gòu)，使其吸附能力得到明顯的增強(qiáng)。復(fù)配后復(fù)合材料對(duì)甲基橙的吸附能力均高于提純后硅藻土、鋼渣（見(jiàn)圖3）。

2.2 鋼渣/硅藻土復(fù)合吸附材料最佳配比的確定

稱取相同量的提純硅藻土和鋼渣，占總質(zhì)量的72%;鈉基膨潤(rùn)土為粘結(jié)劑，占總質(zhì)量的20%;碳酸鈉和淀粉為造孔劑（其中碳酸鈉∶淀粉=3∶7 4∶6 5∶5 6∶4 7∶3）占總質(zhì)量的8%，焙燒溫度500℃，焙燒時(shí)間90min。稱取相同質(zhì)量焙燒好的吸附材料至于500mL燒杯中，加入濃度為4mg/L的甲基橙300mL，并在相同的吸附條件下進(jìn)行吸附。利用分光光度計(jì)測(cè)吸附后溶液的吸光值，由工作曲線得到吸附后的濃度，如圖4所示。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)造孔劑淀粉：碳酸鈉=3∶7時(shí)所得復(fù)合吸附材料使得甲基橙染料的濃度由4mg/L降低到2.8mg/L，吸附效果最佳。

2.3 提純后硅藻土和鋼渣/硅藻土復(fù)合吸附材料的表征

2.3.1 SEM結(jié)構(gòu)表征

從圖5中可以看出，硅藻土原粉為圓盤狀，孔道均勻，但有堵塞情況，經(jīng)提純后的硅藻土盤面干凈，孔道明顯且無(wú)堵塞，圓盤邊緣具有多孔結(jié)構(gòu)，且孔徑較大。經(jīng)鋼渣與硅藻土復(fù)合后，鋼渣顆粒為不規(guī)則多面體，負(fù)載在硅藻土表面上，但并未堵住孔道。

2.3.2 XRD成分表征

由圖6可以看出，硅藻土的衍射峰呈尖銳狀，可推測(cè)其主要成分為SiO2，并以晶體形式分布，硅藻土與鋼渣經(jīng)復(fù)配合成后制得復(fù)合吸附材料，從XRD圖譜可以看出特征峰強(qiáng)度明顯減弱，說(shuō)明硅藻土與鋼渣、NaCO3混合反應(yīng)生成新物質(zhì)如NaFeSi2O6，可以增加兩種基體材料的結(jié)合能力，使復(fù)合材料的吸附性具備其共同特點(diǎn)。

3? 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)復(fù)合吸附材料對(duì)甲基橙溶液的吸附能力，確定出最佳制備配比：硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)占36%;鋼渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)占36%;鈉基膨潤(rùn)土為黏合劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占20%;碳酸鈉和淀粉（碳酸鈉∶淀粉=7∶3）為造孔劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占8%。

（2）通過(guò)SEM和XRD對(duì)復(fù)合吸附材料結(jié)構(gòu)表征，說(shuō)明硅藻土與鋼渣得到很好的復(fù)合。

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