SBA 15/凹凸棒土/活性炭復(fù)合材料在光催化降解亞甲基藍(lán)中的吸附性能

劉超　劉煜欣　王廣健　吳小妹　郭亞杰

摘 要：探討SBA-15/凹凸棒土/活性炭復(fù)合材料在光催化降解亞甲基藍(lán)中的吸附性能.采用超聲和馬弗爐煅燒制備凹凸棒土/SBA-15復(fù)合材料，凹凸棒土與SBA-15的混合比例為60%，煅燒溫度為500 ℃，煅燒時長為2 h，SBA-15/凹凸棒土/活性炭復(fù)合材料吸附性最佳.

關(guān)鍵詞：SBA-15;凹凸棒土;活性炭;光催化降解;亞甲基藍(lán)

[中圖分類號]O614.7?? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Study on Adsorption Properties of SBA-15/Attapulgite/Activated Carbon Composites in PhotocatalyticDegradation of Methylene Blue

LIU Chao1，LIU Yuxin2，WANG Guangjian1*，WU Xiaomei1，GUO Yajie1

（1.College of Chemistry and Materials Science，Huaibei Normal University，Huaibei235000，China;

2.Experimental High School Affiliated to Huaibei Normal University，Huaibei235000，China）

Abstract：The adsorption performance of SBA-15/attapulgite/activated carbon composite material in the photocatalytic degradation of methylene blue was discussed.The attapulgite/SBA-15 composite material was prepared by calcination using ultrasonic and muffle furnace.The mixing ratio of attapulgite and SBA-15 was 60%，the calcination temperature was 500 ℃，and the calcination time was 2 h.SBA-15/attapulgite The soil/activated carbon composite material has the best adsorption.

Key words：SBA-15;attapulgite;activated carbon;photocatalytic degradation;methylene blue

近年來，隨著農(nóng)業(yè)和工業(yè)的迅速發(fā)展，水污染問題日益嚴(yán)重，解決水污染問題迫在眉睫.[1-8]凹凸棒土全稱凹凸棒石黏土，是一種具有耐高溫、抗鹽堿性良好的膠體性能水合鎂鋁硅酸鹽礦物，產(chǎn)量大，價格低廉，遍布世界各地.由于其特殊的多孔結(jié)構(gòu)，故具有良好的吸附色素、去除雜質(zhì)等優(yōu)點.常被用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、紡織、環(huán)保等領(lǐng)域，效果極佳.SBA-15是一種介孔分子篩，也是一種新型的孔吸附材料，比表面積較大，熱穩(wěn)定性好，在各個領(lǐng)域有著廣泛的用途.SBA-15本身無毒性，與活性炭一樣，吸附速度快，吸附量大，被其吸附的污染物不易產(chǎn)生二次污染，對環(huán)境友好，適用于對水中色素污染的吸附以及凈化.[9-11]本文制備SBA-15與凹凸棒土及活性炭材料復(fù)合材料，探究其復(fù)合比例、煅燒時間、燒結(jié)溫度以及不同材料對光催化降解模擬印染廢水的吸附性能[12-14]，目的是解決淮北地區(qū)印染廢水污染問題.

1 實驗試劑與儀器

儀器 HH-S6型數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州國宇儀器公司），F(xiàn)A1104型電子天平（上海民橋儀器公司），KQ5200DA型超聲波清洗器（昆山超聲儀器公司），DF-101S型集熱恒溫加熱磁力攪拌器（鞏義予華儀器公司），DZF-6020型真空干燥箱（上海博迅實業(yè)公司），DHG-9101-2S型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海光都儀器公司），XMT-900型馬弗爐（北京太光節(jié)能技術(shù)公司），DFY-5120型光化學(xué)反應(yīng)儀（開封宏興科教儀器廠），D8 Advance型粉末X-射線衍射儀（德國布魯克公司），Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀（賽默飛世爾公司），JSM-6610LV型掃描電子顯微鏡（日本株式會社），SU-8220型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日立高新公司），TU-1901型紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器公司）.

主要試劑 聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷（PEO-PPO-PEO），AR;正硅酸四乙酯（C8H20O4Si），亞甲基藍(lán)，AR;（C16H18ClN3S）凹凸棒土，（Mg5Si8O20（OH）2（OH2）4·4H2O），GR.

2 實驗內(nèi)容

SBA-15的制備 在250 mL燒杯中加入5.0 g的P123，120 mL 2 mol/L的鹽酸，40 mL蒸餾水，在超聲波清洗器中超聲1.5 h，使其完全溶解，轉(zhuǎn)移至集熱恒溫加熱磁力攪拌器中35 ℃恒溫攪拌至混合溶液澄清.滴加10 g正硅酸四乙酯，繼續(xù)在35 ℃條件下攪拌10 h.靜置12 h，10 h之后將水溫加熱至90 ℃后靜置12 h，冷卻，真空抽濾，洗滌.50 ℃下干燥3 h，在馬弗爐中550 ℃焙燒2 h，得到介孔分子篩SBA-15.

SBA-15/凹凸棒土復(fù)合材料（SBA-15/ATP）的制備 采用馬弗爐煅燒法制備SBA-15/凹凸棒土復(fù)合材料.燒杯中加入20 mL蒸餾水，分別加入SBA-15 30%，40%，50%，60%，70%，攪拌10 min使其接觸充分，超聲30 min.均勻混合后，將產(chǎn)品放入烘箱中60 ℃烘干成型，研磨成粉，放入馬弗爐中煅燒.煅燒溫度分別為200 ℃，300 ℃，400 ℃，500 ℃.煅燒時間分別為1 h，2 h，3 h.得到不同比例、不同溫度、不同時間的SBA-15/ATP復(fù)合材料.

SBA-15/凹凸棒土/活性炭復(fù)合材料（SBA-15/ATP/AC）的制備 取上述不同比例、不同溫度、不同煅燒時間的1 g復(fù)合物加入0.5 g的活性炭，混合均勻，制得活性炭/SBA-15/凹凸棒土復(fù)合材料.

MB染料的降解 取一定濃度的MB染料溶液加入燒杯中，加入10 mg的催化劑，將盛有催化劑的燒杯置于暗箱中磁力攪拌，30 min之后到達(dá)解吸/吸附平衡.把光催化的反應(yīng)體系轉(zhuǎn)移至光化學(xué)反應(yīng)儀設(shè)備中，300 W的高壓汞燈進(jìn)行照射，不斷攪拌實現(xiàn)光催化的降解反應(yīng).隔一段時間取出一定量的MB染料溶液，利用紫外分光光度儀來測量亞甲基藍(lán)的吸光度，分析其降解率.

3 測試與表征

3.1 粉末X-射線衍射（XRD）測試與表征

圖1是復(fù)合材料的廣角XRD譜圖.從圖1中可以看出，SBA-15的XRD廣角衍射圖在2θ=22°左右有強(qiáng)的吸收峰，在SBA-15/凹凸棒土譜圖部分可以看出，在2θ=21°附近有一明顯的峰出現(xiàn)，且在2θ=27°附近存在一較強(qiáng)的峰，說明凹凸棒土與SBA-15結(jié)合較為良好.在SBA-1/凹凸棒土/活性炭的譜圖部分可以觀察到2θ=22°和2θ=27°的峰比SBA-15/凹凸棒土譜圖部分的峰強(qiáng)，說明在SBA-15/凹凸棒土/活性炭的復(fù)合材料中，SBA-15與凹凸棒土結(jié)合更好.圖1中并沒有出現(xiàn)活性炭的特殊峰，說明活性炭沒有產(chǎn)生結(jié)晶，屬于無定形碳，因此檢測不出活性炭的特征峰.

3.2 傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）測試與表征

圖2是SBA-15/凹凸棒土/活性炭紅外光譜圖.從圖2中可以看出，在1 400 cm-1處有一個峰，表明樣品中含有Si，O，H;在1 630 cm-1處有一峰，表明樣品中含有C=C或者C=O;2 349 cm-1處有一尖銳的峰，為CO2的譜峰;2 930 cm-1和2 970 cm-1處的峰對應(yīng)于P123中的亞甲基和甲基中的C-H鍵的不對稱伸縮振動;3 500 cm-1處有峰，表明有-OH存在.結(jié)果表明，S樣品為BA-15/凹凸棒土/活性炭復(fù)合材料.

3.3 掃描電子顯微鏡（SEM）測試與表征

圖3是SBA-15/凹凸棒土/活性炭樣品的掃描電鏡顯微鏡圖.從圖3中可以看出，復(fù)合材料為短棒狀的顆粒結(jié)構(gòu)，SBA-15分布在活性炭或者凹凸棒土的表面不規(guī)則分布.復(fù)合之后的樣品呈現(xiàn)棒狀結(jié)構(gòu).

3.4 場發(fā)射電子掃描電子顯微鏡（FE-SEM）測

試與表征

圖4是SBA-15/凹凸棒土復(fù)合材料的場發(fā)射掃描電鏡圖，短棒狀的SBA-15與凹凸棒土經(jīng)過馬弗爐煅燒成吸附能力更強(qiáng)的材料.從圖4中可以清晰的看出，SBA-15呈現(xiàn)短棒狀，凹凸棒土被其包裹著，整體結(jié)構(gòu)緊密.介孔結(jié)構(gòu)分明.圖5為活性炭/SBA-15/凹凸棒土樣品的場發(fā)射電鏡圖.從圖5中可以看出，加入的活性炭介于SBA-15/凹凸棒土樣品的間隙中，活性炭為片狀結(jié)構(gòu)與SBA-15/凹凸棒土的棒狀結(jié)構(gòu)間隔排布，使得樣品的吸附性能更強(qiáng).

4 SBA-15/凹凸棒土復(fù)合材料的光催化性能

取一定濃度的MB染料溶液100 mL，向其中加入不同的復(fù)合材料，置于暗處攪拌30 min，達(dá)到吸附-解析平衡.采用300 W高壓汞燈照射，在持續(xù)攪拌下進(jìn)行光催化降解反應(yīng)，分別在3，5，8，10 min取出一定量的MB染料溶液用紫外分光光度計在波長664 nm處測量MB染料溶液的吸光度.MB染料溶液的降解率見表1、表2、表3、表4.復(fù)合材料中SBA-15的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時，光催化降解效果最好，詳見表1.煅燒時間為2 h時，60%SBA-15/ATP光催化降解效果最好，詳見表2.煅燒溫度為500 ℃時60%SBA-15/ATP光催化降解效果最好，詳見表3.復(fù)合材料中摻入活性炭時SBA-15/ATP/AC光催化降解效果最好，詳見表4.

5 結(jié)論與展望

本文探討SBA-15/凹凸棒土/活性炭復(fù)合材料在光催化降解亞甲基藍(lán)中的吸附性能.采用超馬弗爐煅燒制備SBA-15，通過超聲和馬弗爐煅燒制備凹凸棒土/SBA-15復(fù)合材料.XRD譜圖、紅外光譜圖、掃描電鏡圖、場發(fā)射掃描電鏡圖對復(fù)合材料進(jìn)行表征.對于光催化劑光催化活性炭、SBA-15及凹凸棒土吸附水中的亞甲基藍(lán)反應(yīng)的催化活性做評價：凹凸棒土與SBA-15的混合比例為60%、煅燒溫度為500 ℃、煅燒時長為2 h，SBA-15/凹凸棒土/活性炭復(fù)合材料吸附性最佳.

淮北礦區(qū)土壤重金屬重污染嚴(yán)重，Cu和Ni源于煤炭燃燒產(chǎn)生的粉塵，Cr和Zn源于煤炭的開采，Hg源于自然成土因素，需要嚴(yán)格注意這類重金屬元素污染源的控制.本研究下一步將繼續(xù)探索復(fù)合材料在淮北塌陷區(qū)污染水質(zhì)中重金屬離子吸附中的應(yīng)用.

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編輯：琳莉

收稿日期：2020-05-22

基金項目：安徽省自然科學(xué)基金項目（1208085MB32）;安徽省教育廳科研基金項目（KJ2011A250）

作者簡介：劉超（1996- ），男，黑龍江齊齊哈爾人.助教，碩士生，主要從事固體光催化劑設(shè)計與應(yīng)用研究;劉煜欣（2003- ），女，安徽淮北人.高中生，主要從事催化劑設(shè)計與應(yīng)用研究;王廣健（1964- ），男，安徽靈璧人.教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事無機(jī)納米材料研究.

通訊作者：王廣健