以底泥、粘土和鵝掌楸為原料制作新型陶粒的吸附特性研究

王祝來(lái)，曾晨淅，徐文清

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.教育部淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

吸附法的特點(diǎn)是效率高，操作簡(jiǎn)單，可重復(fù)使用。污水中的雜質(zhì)包括重金屬、有機(jī)物和有毒物質(zhì)，可以用不同的吸附劑去除，如蒙脫土[1]、活性炭[2-4]、陶粒等[5]。湖底淤泥中的重金屬和有毒物質(zhì)可能會(huì)泄漏到外部環(huán)境，尤其是地下水中。鵝掌楸落葉凋零，覆蓋在地面上，會(huì)造成一定的環(huán)境問(wèn)題。 前人對(duì)鵝掌楸進(jìn)行了多個(gè)方面的研究[6-8]。

本研究旨在進(jìn)行一種由湖底淤泥、粘土和鵝掌楸制成新型陶粒的吸附特性研究。陶粒的吸附特性主要考察了陶粒對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附效果，其中包括初始濃度、吸附時(shí)間和添加質(zhì)量的影響。本研究既解決了底泥、鵝掌楸對(duì)環(huán)境造成的影響問(wèn)題，又為陶粒原料的選擇提供了新的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

本研究制備陶粒的原料包括底泥、粘土和鵝掌楸。 底泥來(lái)自于南京玄武湖，是在壓濾機(jī)脫水后形成的污泥。粘土和鵝掌楸取自南京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，鵝掌楸是從鵝掌楸樹(shù)上掉下來(lái)的落葉，而粘土來(lái)自于校內(nèi)工地上，塑性指數(shù)>17。

上述底泥和粘土的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 原材料底泥和粘土的化學(xué)成分及分析Table 1 Chemical compositions of raw materials analyses

有機(jī)物是鵝掌楸的主要化學(xué)成分，包括纖維素、多糖和蛋白質(zhì)。 原料在加熱爐中加熱到105 ℃放置2 h，然后用TYSP-200高速粉碎機(jī)研磨到100目以下。 本研究中底泥∶粘土∶鵝掌楸的質(zhì)量比見(jiàn)表 2，這一比率的陶粒類型定義為TLA。

表2 樣本含量和質(zhì)量比Table 2 Sample contents and ratios

V-Sorb2800比表面積分析儀;INCA250EDS電子能譜儀;UV752分光光度計(jì);SX2-12-10室內(nèi)電爐;TYSP-200高速粉碎機(jī)。

1.2 方法

1.2.1 陶粒的生產(chǎn) 根據(jù)表2中的樣品含量和質(zhì)量比，將3種原料完全混合并加入一些適量的水，然后手工搓成直徑為6～8 mm的陶粒。 最后，將上面制作的陶粒在室溫20 ℃左右保存2 d。

1.2.2 陶粒的預(yù)熱和燒結(jié) 預(yù)熱和燒結(jié)的溫度及持續(xù)時(shí)間見(jiàn)表3。

表3 陶粒的預(yù)熱和燒結(jié)溫度及持續(xù)時(shí)間Table 3 Preheating and sintering temperatures and duration of ceramsite

陶粒在室內(nèi)電爐加熱，每次預(yù)熱和燒結(jié)溫度為10 ℃/min。 因?yàn)榭紤]到不同預(yù)熱和燒結(jié)溫度以及持續(xù)時(shí)間的不同，把陶粒分成6組，編號(hào)分別是1,2,3,4,5,6。

1.2.3 檢測(cè)方法 利用V-Sorb2800比表面積分析儀測(cè)定陶粒的比表面積。采用INCA250EDS電子能譜儀對(duì)底泥和粘土的化學(xué)成分進(jìn)行分析。 用UV752分光光度計(jì)測(cè)試陶粒吸附的亞甲基藍(lán)濃度。 吸附容量和速率的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 優(yōu)選最佳陶粒

為了優(yōu)選出最佳的陶粒，即比表面積最大陶粒，依據(jù)表3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)熱和燒結(jié)參數(shù)對(duì)比表面積的影響Fig.1 Effect of preheating and sintering parameters on specific surface area

由圖1可知，隨著陶粒種類數(shù)量的增加，比表面積先增大后開(kāi)始減小。 由于陶粒的型號(hào)為2號(hào)時(shí)，即預(yù)熱和燒結(jié)溫度和持續(xù)時(shí)間為，預(yù)熱：300 ℃，20 min，燒結(jié)：750 ℃，20 min，此時(shí)陶粒比表面積最大。 由圖還可知，從4號(hào)陶粒到5號(hào)陶粒過(guò)程中，陶粒比表面積急劇下降，最終達(dá)到最小約1 m2/g。 出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因解釋是，陶粒的比表面積隨陶粒的預(yù)熱和燒結(jié)溫度的變化而變化。 在開(kāi)始階段，隨著預(yù)熱和燒結(jié)溫度和時(shí)間的持續(xù)升高，由于水的揮發(fā)和有機(jī)物的燃燒，陶粒的內(nèi)部孔隙越來(lái)越小，導(dǎo)致比表面積的增加。 之后隨著預(yù)熱和燒結(jié)溫度和持續(xù)時(shí)間的繼續(xù)增加，在預(yù)熱溫度和燒結(jié)溫度分別為，500 ℃，20 min和950 ℃，20 min時(shí)，陶粒內(nèi)部孔隙開(kāi)始融化，小孔隙形成較大的孔隙，使比表面積最小。

2.2 吸附時(shí)間對(duì)吸附容量和吸附速率的影響

為了考察吸附時(shí)間對(duì)吸附容量和吸附速率的影響，在以下的條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，亞甲基藍(lán)初始濃度6 mg/L，質(zhì)量分別為1，3，5 g，吸附時(shí)間分別為1，3，5，7，9，11 min，結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 吸附時(shí)間對(duì)吸附量的影響Fig.2 Effect of adsorption time on adsorption capacity

圖3 吸附時(shí)間對(duì)吸附速率的影響Fig.3 Effect of adsorption time on adsorption rate

隨著吸附時(shí)間的增加，吸附容量和速率都逐漸上升，由圖2和圖3可知，陶粒質(zhì)量在1～5 g之間的變化，吸附容量減小，吸附速率增大。 在圖2中，隨著吸附時(shí)間的增加，陶粒1 g的吸附量遠(yuǎn)大于3 g和5 g，而3 g和5 g吸附量幾乎相同。 在圖3中，當(dāng)吸附時(shí)間為1 min時(shí)，吸附速率差異不顯著；當(dāng)陶粒質(zhì)量為1 g時(shí)，吸附速率曲線急劇增大，而質(zhì)量為3 g和5 g時(shí)，吸附速率的增量相對(duì)較小。 出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是，由圖2可知，初始濃度1，3，5 g均為6 mg/L，吸附容量的單位為mg/g，即陶粒質(zhì)量為1 g時(shí)可吸附亞甲基藍(lán)質(zhì)量大于3 g和5 g。隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，亞甲基藍(lán)被充分吸附，陶粒的內(nèi)孔被亞甲基藍(lán)覆蓋，吸附容量逐漸上升。 在圖3中，吸附速率為吸附質(zhì)量與亞甲基藍(lán)原質(zhì)量的比值，陶粒的質(zhì)量越大，亞甲基藍(lán)的吸附量越大。 同時(shí)，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，亞甲基藍(lán)的吸附質(zhì)量穩(wěn)步提高。

2.3 初始濃度對(duì)吸附容量和吸附速率的影響

為了評(píng)價(jià)初始濃度對(duì)吸附容量和速率的影響，在一定條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即吸附時(shí)間7 min，陶粒質(zhì)量分別為1，3，5 g，亞甲基藍(lán)的初始濃度分別2，4，6，8，10，12 mg/L， 結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

由圖4可知，隨著初始濃度的增加，3種質(zhì)量的陶粒1，3，5 g的吸附量均增加，但隨著陶粒質(zhì)量從1 g 到5 g的增加時(shí)，吸附量呈下降趨勢(shì)。 此外，當(dāng)陶粒質(zhì)量為1 g時(shí)，吸附量急劇增加。 當(dāng)初始濃度為2 mg/L時(shí)不同質(zhì)量間吸附量無(wú)顯著差異。

圖4 初始濃度對(duì)吸附量的影響Fig.4 Effect of initial concentration on adsorption capacity

圖5 初始濃度對(duì)吸附速率的影響Fig.5 Effect of initial concentration on adsorption rate

圖5變化與圖4基本相同， 隨著初始濃度的增加，3種質(zhì)量的陶粒1，3，5 g的吸附速率也隨之增加， 且隨著陶粒質(zhì)量在1～5 g之間增加，吸附速率穩(wěn)步提高。 當(dāng)初始濃度為2 mg/L時(shí)，3種質(zhì)量之間的吸附能力的差異比初始濃度為12 mg/L更大。 出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是，當(dāng)初始濃度較低時(shí)，亞甲基藍(lán)的吸附質(zhì)量較少，而當(dāng)初始濃度較高時(shí)，亞甲基藍(lán)被充分吸附，從而導(dǎo)致吸附容量的增加。 陶粒質(zhì)量1 g時(shí)對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附質(zhì)量大于5 g時(shí)。 圖5中，由于陶粒的質(zhì)量較大，在陶粒中有較大的比表面積吸附亞甲基藍(lán)。圖4中也是如此，隨著初始濃度的增加，亞甲基藍(lán)的吸附質(zhì)量大于低初始濃度。

2.4 陶粒質(zhì)量對(duì)吸附量和吸附速率的影響

為了考察陶粒質(zhì)量對(duì)吸附量和速率的影響，在以下條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這些條件包括初始濃度6 mg/L， 吸附時(shí)間1，5，9 min，陶粒質(zhì)量分別為1，2，3，4，5 g，結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，隨著陶粒質(zhì)量的增加，吸附量逐漸減小，吸附速率逐漸增大。 當(dāng)陶粒的質(zhì)量為1 g， 吸附容量和速率均無(wú)顯著差異。 隨著吸附時(shí)間的變化，從1～9 min時(shí)，吸附量和速率都呈上升趨勢(shì)。 當(dāng)吸附時(shí)間分別為5，9 min時(shí)，吸附速率急劇增加。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是，在圖6中，3種溶液初始濃度均為6 mg/g，隨著陶粒質(zhì)量的增加，當(dāng)陶粒質(zhì)量為5 g時(shí)，亞甲基藍(lán)的吸附質(zhì)量最小，即陶粒的質(zhì)量越大，每g陶粒吸附的亞甲基藍(lán)越少。隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，陶粒內(nèi)孔比表面積得到充分利用。當(dāng)陶粒的質(zhì)量為1 g時(shí)，無(wú)論吸附時(shí)間如何變化，可吸附比表面積均小于5 g。隨著吸附時(shí)間延長(zhǎng)至9 min，亞甲基藍(lán)的總吸附質(zhì)量增加，導(dǎo)致吸附率上升。

圖6 陶粒質(zhì)量對(duì)吸附量的影響Fig.6 Effect of ceramsite mass on adsorption capacity

圖7 陶粒質(zhì)量對(duì)吸附速率的影響Fig.7 Effect of ceramsite mass on adsorption rate

2.5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

正交實(shí)驗(yàn)選擇L9(34)作為正交表，在下列條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括初始濃度2，6，10 mg/L，陶粒的質(zhì)量為1，3，5 g，吸附時(shí)間為1，5，9 min。 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表4。

R的值反映了影響因素的主次順序，水平的最大值顯示了運(yùn)行條件的組合。 由表4可知R1的順序，分別為0.085 2>0.055 3>0.048 8，最重要的因素是初始濃度，最不重要的因素是吸附時(shí)間。 運(yùn)行條件的最優(yōu)組合是陶粒的質(zhì)量為1 g，初始濃度為10 mg/L吸附時(shí)間為9 min。R2的順序?yàn)?2.07>11.81>6.47，最重要的因素是陶粒的質(zhì)量，最不重要的因素是初始濃度。運(yùn)行條件的組合是陶粒的質(zhì)量為5 g，初始濃度為10 mg/L，吸附時(shí)間為9 min。當(dāng)影響因素水平分別為初始濃度10 mg/L和吸附時(shí)間9 min時(shí)，其最佳運(yùn)行條件組合是相同的。同時(shí)，R1和R2的主次順序完全不同，R值的選擇依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即吸附容量和吸附速率的變化而變化。

表4 正交實(shí)驗(yàn)的方案和結(jié)果Table 4 Scheme and results of orthogonal experiment

3 結(jié)論

以底泥、粘土和鵝掌楸為原料制作陶粒，并進(jìn)行了其吸附特性研究，具體結(jié)論如下：

(1)選擇2號(hào)陶粒作為本研究中使用的最佳陶粒，因其比表面積最大。

(2)隨著吸附時(shí)間和初始濃度的增加，吸附容量和速率逐漸增大。隨著陶粒質(zhì)量的加大，吸附容量下降且吸附速率增加。3種因素下的吸附容量和吸附速率的大小與陶粒的比表面積和亞甲基藍(lán)吸附是否充分有關(guān)。

(3)初始濃度10 mg/L和吸附時(shí)間9 min，其最佳運(yùn)行條件組合是相同的。R1和R2的主次順序完全不同，評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化決定了R值的選擇。