煙堿在鈉基膨潤土中的吸附特性研究

高 秀，黃 璐

(西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610000)

1 引言

研究表明，垃圾填埋場滲濾液中至少含有50種有機(jī)污染物，相對含量明顯高于其他有機(jī)物的主要成分有尼古丁[1]，又稱煙堿，溶于水和乙醇，難以被絮凝劑絮凝沉淀，不易自然降解，一旦進(jìn)入土壤和水體會破壞生態(tài)平衡，進(jìn)入人體后會使人患上肺癌及相關(guān)的外周動脈疾病[2]。而填埋場中的防滲墊層能夠防止?jié)B濾液進(jìn)入地下水，防滲墊層中常用的防滲材料就是膨潤土，其具有良好的遇水膨脹性、陽離子交換性、吸附性等特性。故探討膨潤土對煙堿的吸附作用是研究其對煙堿的防滲能力的重要工作之一。

粘土礦物對水中污染物的吸附是化學(xué)物質(zhì)分子被粘土顆粒表面束縛的物理化學(xué)過程,通常使用Freundlich等溫線模型和Langmuir等溫線模型來描述[3]，其中，前者是在總結(jié)前人學(xué)者們的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，沒有假設(shè)條件；后者的假設(shè)條件為：單層表面吸附、所有的吸附位均相同、被吸附的粒子完全獨(dú)立。目前，這兩種等溫線模型對水中污染物的應(yīng)用研究多集中于在利用單一模型對目標(biāo)污染物的研究方面。

文中選擇煙堿和鈉基膨潤土作為研究對象，研究煙堿在鈉基膨潤土原土上的吸附性能，同時從鈉基膨潤土的結(jié)構(gòu)變化對吸附機(jī)理作了初步探討。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料與儀器

所用土樣為鈉基膨潤土；有機(jī)物為煙堿，HPLC≥98% 。

主要儀器有752N紫外可見分光光度計；SHA-C水浴恒溫振蕩器；TDL-4低速離心機(jī)；101-2A電熱鼓風(fēng)數(shù)顯干燥箱；掃描電子顯微鏡。

2.2 試樣制備

將所用土樣在105～110 ℃進(jìn)行烘干處理8 h，密封備用。煙堿標(biāo)準(zhǔn)儲備液的配制，吸取煙堿5 μL至裝5 mL水的50 mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至標(biāo)線，再取上述溶液5～50 mL容量瓶中，再用蒸餾水稀釋至標(biāo)線，搖勻。此儲備液含煙堿10.1 mg/L。

2.3 基本試驗(yàn)方法

在室溫情況下，在6個50 mL三角瓶中按照一定的土液比加入不同濃度(25 mg/L、50 mg/L、75 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L、300 mg/L、350 mg/L)的溶液及0.5 g土樣，放入恒溫振蕩器中進(jìn)行恒溫振蕩24 h，后將試樣放入離心機(jī)中，以3500 r/min的速率離心20 min，取上層清液，通過紫外可見分光光度計測得其在波長為260 nm下的吸光值，通過朗伯-比耳定律可得到濃度。根據(jù)得到的濃度與已知的初始濃度，可通過式(1)計算土顆粒對溶質(zhì)的吸附量：

(1)

式(1)中，S0為土顆粒對溶質(zhì)的吸附量(mg/g)；C0為溶液的初始濃度(mg/L)；Vsol為溶液的體積(L)；Ms為風(fēng)干土樣重量(g)。

此方法相對簡單、快速，只考慮粘土顆粒的吸附作用，是測定吸附速率常數(shù)的有效辦法，已廣泛用于測定分配系數(shù)、研究吸附動力學(xué)等方面。文中的研究方法就是建立在Batch方法基礎(chǔ)上進(jìn)行的[4]。

3 結(jié)果與討論

3.1 鈉基膨潤土結(jié)構(gòu)表征

3.1.1 X-射線衍射分析

利用X-射線衍射測定層間距大小是分析膨潤土層間復(fù)合離子的有效方法。在25 ℃和50%相對濕度下，采用X-射線衍射分析，測得土樣數(shù)據(jù)分析部分如圖1所示。

結(jié)果表明，其中蒙脫石的含量達(dá)到60%以上。原土的層間距為1.25 nm，有研究表明當(dāng)有機(jī)物進(jìn)入膨潤土層間時，層間距會增大。且膨潤土的層間距變化與層間離子及離子的排列方式有關(guān)。

圖1 鈉基膨潤土X射線衍射圖譜

3.1.2 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

吸附劑顆粒外表面的孔隙直徑大小對其吸附能力和吸附動力學(xué)、熱力學(xué)行為均有較大的影響[3]。根據(jù)國際純粹應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(IUPAC)的定義，孔徑小于2 nm的稱為微孔，其表面能遠(yuǎn)大于平整表面。文中試驗(yàn)所采用的粘土材料為鈉基膨潤土(Bentonite)，對土樣及吸附試驗(yàn)后的土樣進(jìn)行電鏡掃描，并取得土樣Mag=10.00 KX下的結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖2 土樣掃描電子顯微鏡照片

由圖2可見，吸附前土樣表面大多呈片狀，集合體邊部有卷曲及褶皺，在整個視域連續(xù)成片，邊界不易辨認(rèn)，個別撓曲及疊層處似乎能辨認(rèn)邊界；吸附后，土顆粒表面逐漸平整，且隨著初始溶液濃度的增加，平整度也逐漸增加，連續(xù)性更好，比表面積增大，吸附能力也增強(qiáng)。故隨著初始溶液濃度的增加，鈉基膨潤土的吸附能力也越強(qiáng)。

通常情況下，有機(jī)污染物在粘土礦物中的吸附機(jī)理主要包括礦物質(zhì)的表面吸附和有機(jī)質(zhì)的分配作用，由于試驗(yàn)所用土樣為商業(yè)土樣，有機(jī)含碳量低，故主要吸附機(jī)理為礦物質(zhì)的表面吸附。

3.2 吸附平衡時間

按照上述的試驗(yàn)方法，在5 min、15 min、30 min、60 min、6 h、12 h、24 h及48 h時測定溶液中煙堿的濃度變化，以確定吸附反應(yīng)的平衡時間。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)繪制如圖3。

圖3 煙堿在鈉基膨潤土上的吸附量與時間關(guān)系

結(jié)果表明，在室溫條件下，鈉基膨潤土吸附煙堿溶液中煙堿成分的反應(yīng)在24 h內(nèi)可達(dá)到平衡且起始濃度越低，平衡時間越短。

3.3 等溫吸附曲線

描述有機(jī)物在土壤中的吸附常用Frenudlich和Langmuir等溫式，前者公式為：

S0=KfC1/n

(2)

式(2)中，S0為土樣對有機(jī)物的吸附量(mg/g)；Kf為吸附系數(shù)，吸附系數(shù)Kf是一個反映土樣吸附能力大小的量，是指達(dá)到吸附平衡時有機(jī)化合物被土樣吸著的濃度與其在溶液中的濃度之比；C吸附平衡液相中有機(jī)物的濃度(mg/L)；1/n表示吸附的非線性程度。

Langmuir等溫式為：

C/S0=C/B+1/(KB)

(3)

式(3)中，C為吸附平衡時液相中有機(jī)物的濃度(mg/L)，S0為土樣對有機(jī)物的吸附量(mg/g),B為最大吸附量，K為吸附系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由(2)式計算得Kf==90.1276,1/n=1.3318，r=0.8688，由(3)式計算得1/KB=0.012,1/B=6.745×10-4，r=0.8461?？梢?，煙堿在土樣中的吸附行為符合Frenudlich和Langmuir等溫式，且前者計算出的系數(shù)略好于后者，說明前者更適合描述煙堿在土樣中的吸附行為，故有S0=90.1276C1.3318，等溫吸附曲線見圖4。

圖4 煙堿在鈉基膨潤土上的吸附曲線

4 結(jié)論

(1)隨著初始溶液濃度的增加，鈉基膨潤土的吸附能力也越強(qiáng)；試驗(yàn)所用土樣為商業(yè)土樣，有機(jī)含碳量低，故主要吸附機(jī)理為礦物質(zhì)的表面吸附。

(2)在室溫條件下，鈉基膨潤土吸附煙堿溶液中煙堿成分的反應(yīng)在24 h內(nèi)可達(dá)到平衡且起始濃度越低，平衡時間越短。

(3)煙堿在鈉基膨潤土顆粒之間的吸附關(guān)系采用Freundlich吸附等溫式模擬更為準(zhǔn)確。