多孔硅酸鎂材料的制備及其吸附污水性能的研究*

趙 潔

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710071）

社會(huì)的不斷快速發(fā)展，使得地球上的水資源不斷地被消耗，同時(shí)生產(chǎn)排放的污水又對(duì)水資源造成一定的污染，致使人類(lèi)的生活用水越來(lái)越稀缺[1,2]。廢水中有機(jī)染料的污染具有分布廣泛、成分復(fù)雜以及有機(jī)毒物的含量較高等特點(diǎn)[3,4]，成為研究者對(duì)其進(jìn)行處理的首要問(wèn)題，其采用的處理方法有化學(xué)絮凝法、化學(xué)氧化法、生物法以及吸附法。其中吸附法的應(yīng)用，可使廢水中的廢棄物被處理，且不會(huì)生成新的化學(xué)污染物，具有投資小、成本低等特點(diǎn)，可以有效地解決二次污染的問(wèn)題，其前景應(yīng)用廣泛[5,6]。文獻(xiàn)[7]中采用改進(jìn)的吸附方法，提出了更快速、更低成本的廢水處理技術(shù)。文獻(xiàn)[6]中，通過(guò)制備了吸附性的復(fù)合材料——鎂硅酸鹽水合物，并對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料表面的電荷在對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附過(guò)程中有著重大的作用。文獻(xiàn)[8]采用簡(jiǎn)單的水熱法以及煅燒法，以葡萄糖和金屬鹽為原材料制備了碳-氧化鋁核-殼球的復(fù)合材料，同時(shí)研究了其材料的吸附性。研究表明，對(duì)廢水中的二類(lèi)燃料的吸附量達(dá)到了210mg·g-1。文獻(xiàn)[9]制備了多孔的空心納米硅酸鹽材料，采用的是犧牲模板法。文獻(xiàn)[10]利用Mg（NO3）2·6H2O 以及Na2SiO3·9H2O 作為原材料，并添加聚乙二醇作為活性劑。采用水熱法制備納米級(jí)別的硅酸鎂復(fù)合材料。本實(shí)驗(yàn)采用Mg（NO3）2·6H2O 和Na2SiO3·9H2O分別作為鎂源和鈉源的來(lái)源，利用球磨法進(jìn)行硅酸鎂復(fù)合材料的制備，在制備復(fù)合材料的過(guò)程中，采用單一變量的方法，分別制備了不同球磨時(shí)長(zhǎng)、不同球磨器料比（物料體積與球磨器容積比）以及不同物料比的條件下的復(fù)合材料，并研究了其對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

Mg（NO3）2·6H2O（AR 天津迪博化工有限公司）；Na2SiO3·9H2O（AR 河北東洋化工產(chǎn)品有限公司）；MgSO4（AR 嘉誠(chéng)化工有限公司）；無(wú)水乙醇（AR 西隴科學(xué)股份有限公司）；乙二醇（工業(yè)級(jí)國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑）；亞甲基藍(lán)（AR 天津永大化學(xué)有限公司）；去離子水（小于10-6S·cm-1自制）。

WOP-20 型水熱反應(yīng)釜（天津迪博化工有限公司）；FA2204B 型精密電子天平（上海精科天美儀器公司）；DHG-9070A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（南通滬南有限公司）；GQM200 型氧化鋯球磨罐（柳州益嘉化工）；DD6M 型離心機(jī)（天津華商化工集團(tuán)）；Bruker alpha-T 型傅里葉紅外光譜儀（天津永大化學(xué)有限公司）；UV-2600 型紫外分光光度計(jì)（上海華晨?jī)x器有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)采用單一變量的方法，通過(guò)不同的球研磨方法制備一系列的硅酸鎂復(fù)合材料，并研究其性質(zhì)。

1.2.1 制備研磨時(shí)間不同的硅酸鎂材料 稱(chēng)取32.05g 的Mg（NO3）2·6H2O 和35.5g 的Na2SiO3·9H2O，置入500mL 的氧化鋯球磨容器中，其中ZrO2的質(zhì)量為135g，大中小型號(hào)的研磨球的質(zhì)量比設(shè)置為3∶5∶2。調(diào)節(jié)研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為250r·min-1，時(shí)間控制在2～24h 之間，充分反應(yīng)后，進(jìn)行分離的操作，分離物料和ZrO2，并將分離后的產(chǎn)物在烘干箱中進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)12h 的烘干操作，烘干溫度設(shè)定為60°C，這樣就得到不同研磨時(shí)間的硅酸鎂復(fù)合材料，用T 表示研磨時(shí)間，分別標(biāo)記為：MSM-T2、MSM-T6、MSM-T8、MSMT12、MSM-T24。

1.2.2 制備不同球磨器料比的硅酸鎂材料 稱(chēng)取15.38～76.38g 的Mg（NO3）2·6H2O 和1.05～85.26g 的Na2SiO3·9H2O，置入500mL 的氧化鋯球磨容器中，其中ZrO2的質(zhì)量為160～210g，大中小型號(hào)的研磨球的質(zhì)量比設(shè)置為3∶5∶2。調(diào)節(jié)研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為250r·min-1，時(shí)間控制在6h，充分反應(yīng)后，進(jìn)行分離的操作，分離物料和ZrO2，并將分離后的產(chǎn)物在烘干箱中進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)12h 的烘干操作，烘干溫度設(shè)定為60℃，這樣就得到不同球磨器料比的硅酸鎂復(fù)合材料，用V 表示物料體積與研磨器容量比，分別標(biāo)記為：MSM-V5、MSM-V10、MSM-V20。

1.2.3 制備不同物料比的硅酸鎂材料 稱(chēng)取32.05g的Mg（NO3）2·6H2O 和28.4～62.2g 的Na2SiO3·9H2O，置入500mL 的氧化鋯球磨容器中，其中ZrO2的質(zhì)量為120～185g，大中小型號(hào)的研磨球的質(zhì)量比設(shè)置為3∶5∶2。調(diào)節(jié)研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為250r·min-1，時(shí)間控制在6h，充分反應(yīng)后，進(jìn)行分離的操作，分離物料和ZrO2，并將分離后的產(chǎn)物在烘干箱中進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)12h 的烘干操作，烘干溫度設(shè)定為60°C，這樣就得到不同物料比的硅酸鎂復(fù)合材料，用M 表示硅和鎂的物料比，分別標(biāo)記為：MSM-M0.8、MSM-M1、MSM-M1.25、MSMM1.75。

1.3 多孔硅酸鎂材料的表征

1.3.1 表面官能團(tuán)表征 多孔硅酸鎂材料的表面官能團(tuán)的表征采用傅里葉紅外光譜儀。其測(cè)量范圍是400～4000cm-1，分辨率為2cm-1。在進(jìn)行測(cè)試之前，我們需要對(duì)材料進(jìn)行加工，即用KBr 材料和實(shí)驗(yàn)樣品按照100∶1 的質(zhì)量比進(jìn)行充分混合，然后壓制成片狀。

1.3.2 吸附性能表征 復(fù)合材料的吸附性能用吸附亞甲基藍(lán)溶液作為指標(biāo)。將吸附亞甲基藍(lán)后的溶液先進(jìn)行過(guò)濾，并稀釋?zhuān)S后利用UV-2600 的紫外線分光光度計(jì)對(duì)溶液進(jìn)行吸光度的測(cè)試，主要吸收波長(zhǎng)為664nm，根據(jù)溶液濃度的大小及吸光度之間的線性關(guān)系計(jì)算實(shí)際吸附亞甲基藍(lán)溶液的實(shí)際濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 研磨時(shí)間對(duì)復(fù)合材料的影響

圖1 為樣品FT-IR 圖及亞甲基藍(lán)吸附量的曲線圖。

圖1 研磨時(shí)間對(duì)樣品的影響結(jié)果曲線圖Fig.1 Effect curve of grinding time on the sample

由圖1a 中可以觀察到，硅氧鍵和鎂氧鍵分別在1030 和460cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，表明選用的研磨方法制備的復(fù)合材料具有較高的純度。樣品在不同研磨時(shí)間的條件下，由圖1b 可以觀察到，曲線隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速率不斷變緩。當(dāng)吸附時(shí)間在120min 時(shí)，達(dá)到了一個(gè)最高值的狀態(tài)，因此，研磨時(shí)間的確定，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)觀察，研磨時(shí)間以6h 為最佳。

2.2 球磨器料比例對(duì)復(fù)合材料的影響

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)由不同物料質(zhì)量制備硅酸鎂的復(fù)合材料中，得到的復(fù)合材料的FT-IR 曲線圖，見(jiàn)圖2a。

由圖2a 可以觀察到，硅氧鍵以及鎂氧鍵分別在1030 和460cm-1處有吸收峰的出現(xiàn)，表明研磨制備的硅酸鎂復(fù)合材料具有較高的純度。

圖2b 為不同的物料加入到不同的樣本中制備成不同的硅酸鎂復(fù)合材料，其對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量曲線圖。

由圖2b 可以觀察到，其曲線呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在120min 時(shí)，達(dá)到最大的吸附量。選擇合適的球磨器料對(duì)硅酸鎂的研制有很大的影響。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取球磨器料比為10，即物料體積占研磨器體積的十分之一為最佳值。

圖2 球磨器料比對(duì)樣品的影響結(jié)果曲線圖Fig.2 Curve of the effect of the material ratio of the ball mill on the sample

2.3 不同物料比對(duì)復(fù)合材料的影響

本實(shí)驗(yàn)研究在不同物料比分別為1.75∶1、1.25∶1、1∶1、0.8∶1 的情況下，對(duì)制備的材料性能影響的研究，圖3a 為不同的物料比值的情況下，制備的材料的FT-IR 譜圖。圖3b 是對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量的測(cè)試曲線圖。

圖3 不同物料比對(duì)樣品的影響結(jié)果曲線圖Fig.3 Curves of the effect of different material ratios on samples

由圖3a 可以看出，硅氧鍵以及鎂氧鍵分別在1030 以及460cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，表明制備的復(fù)合材料的純度較高，并且不同配比物料的情況下不會(huì)生成新的化學(xué)產(chǎn)物以及改變產(chǎn)物的化學(xué)式。

由圖3b 可知，曲線呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但是增長(zhǎng)速率逐漸變緩，在時(shí)間為120min 時(shí)，吸附量達(dá)到了最高值，因此，在制備復(fù)合材料時(shí)，Na2SiO3·9H2O 和Mg（NO3）2·6H2O 的物料比在1.25∶1 的情況下，會(huì)制備出高吸附性的復(fù)合材料。

3 結(jié)論

本論文采用Mg（NO3）2·6H2O 和Na2SiO3·9H2O分別作為鎂和鈉的來(lái)源，利用球磨法制備多孔的硅酸鎂吸附復(fù)合材料，并采用單一變量的方法，分別制備了不同球磨時(shí)長(zhǎng)、不同球磨器料比以及不同的物料比的條件下的復(fù)合材料，并研究了其對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性，研究表明，物料比在1.25∶1、球磨時(shí)長(zhǎng)6h以及物料容積占球磨器總?cè)莘e的十分之一的條件下，制備的硅酸鎂材料的性能最佳，其對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量最大，此研究為今后的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。