膨潤土對工業(yè)硫酸的吸附脫色效果研究

高鵬娜，趙家偉，洪 巖，田會(huì)娟，焦會(huì)強(qiáng)，楊曉輝，梁海峰，卞月琴

(1 遷安市宏奧工貿(mào)有限公司，河北 遷安 063000； 唐山學(xué)院新材料與化學(xué)工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

硫酸是重要的基礎(chǔ)化工原料，具有“化工之母”之稱，主要用于無機(jī)化學(xué)肥料，其次作為基礎(chǔ)化工原料[1]。廣泛用于有色治煉、石油化工、印染紡織、無機(jī)鹽工業(yè)、某些無機(jī)酸和有機(jī)酸、橡膠工業(yè)、油漆工業(yè)以及國防軍工、農(nóng)藥醫(yī)藥、煉焦、制革等行業(yè)。硫酸的質(zhì)量會(huì)影響其銷售價(jià)格及后續(xù)產(chǎn)品硫酸銨的質(zhì)量。遷安市宏奧工貿(mào)有限公司利用荒煤氣脫硫制備的硫酸存在色度差問題，呈現(xiàn)茶色甚至黑褐色。主要是由于煤氣中的有機(jī)物、煤氣的局部不完全燃燒等原因，致使其進(jìn)入煙氣系統(tǒng)，在凈化工序未能完全捕集，從而進(jìn)入成品酸中，進(jìn)一步碳化成亞微態(tài)顆粒，導(dǎo)致硫酸呈茶色甚至黑褐色。由于硫酸的質(zhì)量會(huì)影響其銷售價(jià)格及后續(xù)產(chǎn)品硫酸銨的質(zhì)量，因此對硫酸進(jìn)行脫色處理以提高其質(zhì)量勢在必行。

根據(jù)脫色原理，硫酸脫色方法主要分為兩大類：氧化法和吸附法。氧化法一般采用強(qiáng)氧化劑有過氧化氫、高錳酸鉀、臭氧、過硫酸鹽、硝酸等。如果通入的高錳酸鉀溶液過量，會(huì)使硫酸呈現(xiàn)高錳酸鐘的紫色，仍然難以得到透明的硫酸[2]。對于臭氧氧化法，產(chǎn)品黑硫酸經(jīng)臭氧曝氣脫色后變?yōu)榈S色，產(chǎn)品外觀質(zhì)量有很大提高，但難以達(dá)到國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)色度[3]。過硫酸鹽和硝酸氧化法會(huì)給產(chǎn)品引入新的雜質(zhì)。過氧化氫氧化法選擇性好，在酸性條件下的還原產(chǎn)物為H2O，不會(huì)給硫酸成品增加其它金屬離子[4]，但過氧化氫溶液具有強(qiáng)氧化性，操作時(shí)容易產(chǎn)生危險(xiǎn)。

吸附法是采用吸附劑進(jìn)行吸附脫色，因其操作簡單、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)得到了人們的青睞。目前廣泛使用的傳統(tǒng)吸附劑包括活性炭、硅藻土、粉煤灰、生物吸附劑等。近年來，膨潤土因?yàn)槠浯鎯?chǔ)量大、吸附范圍廣、吸附量大、成本低廉等原因逐漸成為吸附劑的研究熱點(diǎn)[5]。

膨潤土是一種以蒙脫石為主要成分的非金屬礦物。蒙脫石晶粒細(xì)小，屬于2∶1型層狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)單元由兩層硅氧四面體層夾一層鋁氧八面體層所組成，層間結(jié)合力較弱，在溶劑的作用下易剝離和膨脹，分離成更薄的單晶片，因此具有較大的比表面積，理論比表面積(主要表現(xiàn)為內(nèi)比表面積)高達(dá)600～700 m3/g，因此膨潤土具有較強(qiáng)的吸附能力[6-7]。

目前對于工業(yè)硫酸脫色采用的吸附劑有活性炭[8]、硅藻土[9]等。而膨潤土作為硫酸脫色吸附劑還未見報(bào)道。因此，本文選用膨潤土作為硫酸的脫色吸附劑，研究膨潤土用量、吸附時(shí)間及吸附脫色的操作方式對脫色效果的影響，經(jīng)膨潤土吸附脫色后的樣品色度不深于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 534-2014《工業(yè)硫酸》所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)色度。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

膨潤土(分析純)，天津市大茂化學(xué)試劑廠；工業(yè)硫酸樣品(黑褐色)，遷安市宏奧工貿(mào)有限公司；硫化鈉(分析純)，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；明膠(化學(xué)純)，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；乙酸鉛(分析純)，天津市大茂化學(xué)試劑廠；氨水(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%～28%)，天津大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)色度溶液的配置

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 534-2014《工業(yè)硫酸》配置實(shí)驗(yàn)所需的標(biāo)準(zhǔn)色度的溶液[10]。

1.2.2 膨潤土用量的影響

在常溫下，取7只25 mL的比色管，并進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)1比色管中只有10 mL硫酸樣品，不加入膨潤土，為空白樣，編號(hào)2比色管中加入配置好的標(biāo)準(zhǔn)色度溶液，其余比色管分別先加入10 mL硫酸樣品，再用電子天平稱量一定量的膨潤土(0.3～1.5 g)，分別加入到編號(hào)3～7比色管中，攪拌均勻，靜置8 h后進(jìn)行離心，離心機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為5000 r/min，離心時(shí)間為15 min，將離心后的上層清液倒入離心管，并進(jìn)行色度對比。

1.2.3 吸附時(shí)間的影響

在常溫下，取3只25 mL的比色管，并進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)1比色管為空白樣，2編號(hào)2比色管中加入配置好的標(biāo)準(zhǔn)色度溶液，編號(hào)3比色管先加入10 mL硫酸樣品，再用電子天平稱量膨潤土1.2 g，加入到編號(hào)3比色管中，攪拌均勻，靜置不同時(shí)間(1～5 h)后進(jìn)行離心，離心機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為5000 r/min，離心時(shí)間為15 min，將離心后的上層清液倒入離心管，并進(jìn)行色度對比。

1.2.4 操作方式的影響

在常溫下，取5只25 mL的比色管，并進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)1為空白樣，編號(hào)2比色管中加入配置好的標(biāo)準(zhǔn)色度溶液，其余比色管分別先加入10 mL硫酸樣品，再用電子天平稱量膨潤土1.2 g，分別加入到編號(hào)3～7比色管中，攪拌均勻，編號(hào)3比色管常溫靜置，編號(hào)4比色管中溶液倒入離心管進(jìn)行超聲，編號(hào)5比色中溶液倒入燒杯進(jìn)行磁力攪拌，分別進(jìn)行1后進(jìn)行離心，離心機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為5000 r/min，離心時(shí)間為15 min，將離心后的上層清液倒入離心管，并進(jìn)行色度對比。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨潤土用量對吸附脫色效果的影響

在常溫下，考察了膨潤土用量對硫酸吸附脫色效果的影響，實(shí)驗(yàn)條件見表1，編號(hào)1為空白樣，編號(hào)2為按照國標(biāo)配置的標(biāo)準(zhǔn)色度的溶液，向編號(hào)3～7盛有10 mL硫酸樣品的比色管中分別加入不同用量的膨潤土，在常溫下靜置8 h后進(jìn)行離心，脫色后的效果見圖1。由圖1可看出，隨著膨潤土用量的增加，吸附脫色效果越明顯。當(dāng)膨潤土用量為1.2 g，即1.2 g膨潤土/10 mL硫酸時(shí)，脫色后的硫酸樣品色度已不深于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 534-2014《工業(yè)硫酸》所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)溶液的色度。

圖1 膨潤土用量對脫色效果的影響

表1 實(shí)驗(yàn)條件

2.2 吸附時(shí)間對吸附脫色效果的影響

在常溫下，考察了吸附時(shí)間對硫酸吸附脫色效果的影響，實(shí)驗(yàn)條件如表2所示，編號(hào)1為空白樣，編號(hào)2位按照國標(biāo)配置的標(biāo)準(zhǔn)色度的溶液，編號(hào)3的試樣為吸附劑用量為1.2 g膨潤土/10 mL硫酸，分別研究了3號(hào)試樣的脫色效果隨吸附時(shí)間的變化。吸附時(shí)間設(shè)定為1 h，3 h和5 h，達(dá)到規(guī)定的吸附時(shí)間后進(jìn)行離心，脫色效果由圖2所示。由圖2可看出，隨著吸附時(shí)間的增加，脫色效果逐漸加強(qiáng)，在吸附時(shí)間為5 h時(shí)，吸附脫色后的硫酸樣品色度已不深于國準(zhǔn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)色度。

圖2 吸附時(shí)間對脫色效果的影響

表2 實(shí)驗(yàn)條件

2.3 操作方式對吸附脫色效果的影響

當(dāng)吸附劑用量為1.2 g膨潤土/10 mL硫酸，吸附時(shí)間為1 h，研究了不同的操作方式對吸附脫色效果的影響，編號(hào)3為常溫靜置，編號(hào)4為超聲，編號(hào)5為磁力攪拌，實(shí)驗(yàn)條件如表3所示，脫色效果見圖3。由圖3可直觀地看出，采用超聲和磁力攪拌對脫色效果并無明顯改善。說明膨潤土對硫酸樣品的吸附過程不受操作方式的影響，常溫靜置即可達(dá)到較好的脫色效果。

圖3 操作方式對脫色效果的影響

表3 實(shí)驗(yàn)條件

3 結(jié) 論

本文采用膨潤土對工業(yè)硫酸進(jìn)行了吸附脫色研究，膨潤土不僅脫色效果顯著，還具有吸附量大、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。重點(diǎn)研究了膨潤土用量、脫色時(shí)間和操作方式對吸附脫色效果的影響。操作方式對脫色效果并無明顯改善。隨著膨潤土用量和脫色時(shí)間的增加，脫色效果越明顯。當(dāng)膨潤土用量為1.2 g膨潤土/10 mL硫酸，脫色時(shí)間5 h，脫色后的硫酸樣品色度已不深于國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)硫酸》(GB/T 534-2014)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)溶液的色度。