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(滁州學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

凹凸棒土是一種含水富鎂鋁的硅酸鹽礦物，具有獨(dú)特鏈層結(jié)構(gòu)，屬于鏈層狀硅酸鹽，并且具有十分細(xì)小棒狀、纖維狀晶體形態(tài)[1-4]。內(nèi)部由不連續(xù)的八面體形成很多孔道，陽離子、水分子和一定大小的有機(jī)分子可以進(jìn)入其間，凹凸棒土特殊的礦物組成和晶體結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的理化特性，其中吸附性是比較重要的特性。但天然產(chǎn)出的凹凸棒土因產(chǎn)地不同，礦物組成和結(jié)晶程度不同，不能滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域的使用要求，所以要對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈锢砘蚧瘜W(xué)處理，以改變凹凸棒土的物理性能，使其吸附性能得到不同程度的改善[5-9]。

重金屬工業(yè)廢水含有高含量的重金屬離子，對環(huán)境造成污染，危害人類健康。Cr6+是水污染重金屬離子之一，處理起來較為困難，并且對環(huán)境污染嚴(yán)重。常用的出來方法有離子交換法和吸附法。其中吸附法具有投資少、占地小，處理效果好的優(yōu)點(diǎn)，但活性炭吸附速度較慢，吸附容量較小等不足，并且成本高[10-12]。論文采用不同濃度的鹽酸、在不同時(shí)間條件下對采自明光的凹凸棒土進(jìn)行處理，企圖改變凹凸棒土的比表面積等物理性狀，然后再考察改性后的凹凸棒在對含鉻(Cr6+)廢水的吸附能力，以獲得吸附性能好的吸附材料[13-15]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

課題以安徽明光的凹凸棒土為原料，首先將原礦土進(jìn)行粉碎，研磨，180目過篩。將分散劑六偏磷酸鈉分別置于燒瓶中然后加入去離子水形成水溶液，在對溶液進(jìn)行80r/min磁力攪拌的過程中加入經(jīng)180目過篩的原礦，進(jìn)行超聲波分散1h，靜置2h，傾析上層乳白色懸浮液，經(jīng)離心脫水后在烘箱中(110℃)干燥2h，把干燥后的凹凸棒土研磨至200目并放入干燥器中以待用。用不同濃度(1 mol·L-1、3 mol·L-1、5 mol·L-1、6 mol·L-1、7 mol·L-1，)的鹽酸溶液對其進(jìn)行處理，考察不同處理時(shí)間、不同鹽酸濃度、水體pH值和凹凸棒土用量對其物理性質(zhì)及對模擬廢水中的Cr6+吸附性能的影響。

六價(jià)鉻含量的分析：在酸性溶液中，六價(jià)鉻與二苯基碳酰二肼直接反應(yīng)，形成水溶性的紫紅色絡(luò)合物，在波長540nm處測定其吸光度，吸光度與濃度的關(guān)系符合比爾定律，從而可以求得Cr6+的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 處理前后XRD分析

A―凹凸棒原土；B―提純后的凹凸棒土；C―1mol/ L鹽酸處理后的凹凸棒土；D―3mol/ L鹽酸處理后的凹凸棒土；E―6mol/ L鹽酸處理后的凹凸棒土

圖1 處理前后凹凸棒土的XRD圖

X 射線衍射測試使用德國Bruker公司D8ADVANCE型X 射線衍射儀。圖1為提純及酸處理前后凹凸棒土的XRD圖譜，從圖可以很清晰地看出，經(jīng)提純及用不同濃度鹽酸處理前后，凹凸棒土的特征峰仍然存在，各曲線的微小差別在于雜質(zhì)峰的相對強(qiáng)度有所不同，說明凹凸棒土結(jié)構(gòu)沒有遭到明顯的破壞，即酸處理對凹凸棒土的晶體結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生顯著影響。將該凹凸棒土與XRD譜圖對比，可得出課題所用的凹土屬于正交晶系，且純度較高。

2.2 比表面積分析

樣品的比表面積用Gemini V2380型全自動(dòng)比表面積分析儀測定，結(jié)果如表1所示。比表面積是凹凸棒石土理化性質(zhì)研究中的一個(gè)重要參數(shù)，可以反映其吸附性能的優(yōu)劣。凹凸棒土具有眾多平行于棒晶方向排列的納米級孔道[1]，因而具有很大的內(nèi)表面積；同時(shí)，由于其晶體顆粒細(xì)小，外表面積也很大，所以凹凸棒土具有很大比表面積(凹凸棒原土的比表面積為74.32m2/g)。在酸浸過程中鹽酸濃度、酸浸時(shí)間是影響酸浸過程的主要因素，試驗(yàn)在30℃水浴恒溫?cái)嚢钘l件下進(jìn)行，經(jīng)過不同濃度的鹽酸處理得到改性凹凸棒土的比表面積測試結(jié)果如表1。

表1 鹽酸濃度及酸浸時(shí)間對凹凸棒土比表面積的影響

從表1我們可以看到經(jīng)酸處理后，凹凸棒土的比表面積大都有了不同程度的提高，并且大體上隨著鹽酸濃度的增加，處理后樣品的比表面積在不斷增大。鹽酸酸處理之所以能提高凹凸棒土比表面積，主要?dú)w因于凹凸棒中八面體不均勻、不連續(xù)溶解和局部四面體硅的溶蝕，部分八面體殘留對四面體片起支撐作用，使內(nèi)孔道數(shù)目增多， 而且酸浸除掉了凹凸棒原土內(nèi)所含的雜質(zhì)，從而增大了凹凸棒的比表面積[15]。從表中我們可以直觀地看出，當(dāng)酸處理時(shí)間為2 h，鹽酸濃度為6 mol·L-1時(shí)，比表面積最大，達(dá)到125.66 m2·g-1。在同一改性時(shí)間、同樣改性溫度條件下，在一定范圍內(nèi)，處理后凹土的比表面積隨鹽酸濃度的增加而增大，而超過某一濃度，比表面積反而減小，之所以出現(xiàn)這一現(xiàn)象，是因?yàn)辂}酸濃度較低時(shí)，凹凸棒中八面體溶解較少，內(nèi)孔道數(shù)目較少，所以比表面積較小;鹽酸濃度較高時(shí)，凹土中八面體陽離子近于完全溶解時(shí)，四面體片失去支撐，結(jié)構(gòu)塌陷，內(nèi)孔道消失，比表面積反而會(huì)下降，因此導(dǎo)致吸附能力降低?？梢哉J(rèn)為當(dāng)改性時(shí)間為2h，在30℃條件下，用6mol·L-1的鹽酸處理凹凸棒土可得到最大的比表面積。

2.3 紅外變換光譜儀

凹凸棒原土(S)；提純后的凹凸棒土(S1)； 6 mol·L-1鹽酸處理后的凹凸棒土(S2) 圖2 樣品的的紅外光譜圖

FT-IR光譜是研究凹凸棒石結(jié)構(gòu)和不同物質(zhì)鍵合狀態(tài)的重要手段，使用美國Thermo公司傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)進(jìn)行紅外光譜分析。凹凸棒的主要成分是坡縷石(凹凸棒石)，而坡縷石紅外吸收光譜的特征峰是3475～3610，1640～1660，1190，1030，980，470cm-1[12]。圖2 顯示400～4000cm-1波段范圍內(nèi)凹凸棒原土和鹽酸改性凹土的IR光譜，從圖中我們可以看到坡縷石的特征峰在譜圖中都有出現(xiàn)。

2.4 吸附性能的探究

2.4.1 凹凸棒投入量對去除率的影響

圖3 凹土投入量對去除率的影響

用酸化凹凸棒土處理含鉻廢水，其用量對Cr6+去除率的影響如圖3所示。結(jié)果表明，隨著凹土投入量的增加，Cr6+的去除率明顯增大，但用量達(dá)到1g·L-1后，去除率增長緩慢，基本上趨于穩(wěn)定，變化趨勢不再明顯。這是由于此時(shí)Cr6+已基本被完全吸附，考慮到水處理材料的成本，所以在實(shí)驗(yàn)中確定最佳用量為1 g·L-1，處理后去除率可以達(dá)到90%以上。

2.4.2 廢水初始pH值對去除率的影響

圖4 廢水初始pH值對去除率的影響

在不同的初始pH值下，用酸化凹凸棒處理含鉻廢水，處理效果見圖4所示。由圖可知，當(dāng)pH值小于7時(shí)，凹土對Cr6+的吸附量也在增加，當(dāng)pH值進(jìn)一步增大時(shí)，去除率增長緩慢，趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)楫?dāng)pH值較低時(shí)，溶液中所含的大量H+與Cr6+之間存在競爭吸附，顯著降低了Cr6+吸附的幾率，而當(dāng)pH值升高時(shí)，一方面溶液中H+濃度降低，競爭吸附減弱；另一方面，由于凹凸棒的等電點(diǎn)約為4.0～4.5，此時(shí)凹凸棒的表面正處于正負(fù)電性的轉(zhuǎn)變階段，更多負(fù)電位的產(chǎn)生增加了吸附陽離子的活性點(diǎn)位數(shù)量，從而導(dǎo)致去除率的快速增加。

2.4.3 吸附時(shí)間對去除率的影響

圖5 吸附時(shí)間對去除率的影響

圖5是吸附時(shí)間對去除率的影響，由圖可看出，吸附量隨時(shí)間的延長而增大，當(dāng)吸附時(shí)間為2h時(shí)，去除率達(dá)到最大，且隨時(shí)間的延長趨于穩(wěn)定，這是由于此時(shí)凹土對Cr6+的吸附已達(dá)平衡狀態(tài)，時(shí)間的增加已無法帶來去除率的進(jìn)一步增大。

3 結(jié)論

鹽酸處理凹凸棒土可去除其中的一些雜質(zhì)，但沒有改變凹凸棒土的晶體結(jié)構(gòu)。 經(jīng)分析XRD譜圖，可知鹽酸處理前后，凹凸棒土的特征峰仍然存在；不同濃度鹽酸處理凹凸棒土對其比表面積的影響不同，其中經(jīng)6mol·L-1的鹽酸改性過的凹凸棒表面積增加明顯，吸附效果最佳；最佳吸附處理的工藝：凹土投入量為1g，吸附時(shí)間2h，水樣pH值為7。