有机改性膨润土吸附模拟染料废水的工艺条件

曹春艳， 赵永华

(1.渤海大学 化学化工与食品安全学院，辽宁 锦州 121013;2.辽宁工业大学 化学与环境工程学院，辽宁 锦州 121001)

有机改性膨润土吸附模拟染料废水的工艺条件

曹春艳1， 赵永华2

(1.渤海大学 化学化工与食品安全学院，辽宁 锦州 121013;2.辽宁工业大学 化学与环境工程学院，辽宁 锦州 121001)

为提高天然膨润土的吸附性能，以十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)为改性剂，制备有机阳离子改性膨润土，并通过吸附实验分析有机改性剂用量、吸附时间、改性膨润土投加量、废水pH及初始质量浓度对模拟染料废水脱色率的影响。结果表明:有机改性剂质量分数为20%，有机改性膨润土投加量为1.0 g/L，振荡时间为30 min，废水pH为6.0，初始质量浓度为40 mg/L时，有机改性膨润土对模拟染料废水的处理效果最佳，脱色率可达到95.66%。该研究为新型改性膨润土处理染料废水提供了技术参考。

改性膨润土;染料废水;吸附;十六烷基三甲基氯化铵;脱色率

Abstract:Aimed at improving adsorption properties of crude bentonite，this paper introduces the preparation of the organic cation bentonite from hexadecyl trimethyl ammonium chloride(CTAC)as modifier and an analysis of the effect of addition amount of CTAC，modified bentonite dosage，adsorption time，pH value and initial concentration on decolorization ratio of simulated dye wastewater.Results indicate that the organically modified bentonites afford the best treatment of simulated dye wastewater and the decolorization ratio of dye wastewater of 95.66%，in the presence of the organic modifier of 20%，organically modified bentonite dosage of 1.0 g/L，，the adsorption time of 30 min，wastewater pH value of 6.0 and initial quality concentration of 40 mg/L.The research provides technical reference for treating dye wastewater by new type of organically modified bentonites.

Key words:modified bentonite;dye wastewater;adsorption;hexadecyl trimethyl ammonium chloride(CTAC);decolorization ratio

随着纺织工业的迅速发展，我国每年约有6～7亿t染料废水排入水环境中，其排放量约占工业废水总排放量的1/10，是当前主要的水体污染源之一［1－2］。染料废水的水质随纤维种类和加工工艺的不同而异，污染物组分差异也很大［3］。若染料废水中含有大量有机污染物，排入水体后将消耗溶解氧，破坏水生态平衡，危及鱼类和其他水生生物的生存。沉于水底的有机物，会因厌氧分解而产生硫化氢等有害气体，恶化环境。因此，染料废水的综合治理已迫在眉睫。但是，随着染料种类的变化以及表面活性剂、化学浆料等的大量使用，染料废水处理的难度不断加大。

目前，常用的染料废水处理方法有生物法、混凝法、化学氧化法、电解法、吸附法等，其中吸附法由于操作简单、成本低、处理效果较好而被认为是处理染料废水的有效方法之一。该方法所用吸附材料主要有活性炭、粉煤灰、硅藻土以及膨润土等黏土材料。这些吸附材料中，膨润土可去除水中无机、有机污染物，具有储量丰富，廉价易得，化学、生物稳定性较高，比表面积、表面能大等诸多优点［4］。因此，系统深入地研究膨润土的吸附特性，对开发新型改性膨润土，提高膨润土在污水处理及环境修复中的应用价值具有重要意义。笔者以十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)为改性剂对膨润土进行改性，分析了吸附条件对模拟染料废水脱色率的影响。

1实验

1.1 药品及仪器

实验药品主要有十六烷基三甲基氯化铵(CTAC，分析纯)、钙基膨润土、无水碳酸钠(分析纯)、氢氧化钠、硝酸。为使实验结果具有可比性，选用一定浓度的酸性大红染料水溶液作为实验废水。

实验仪器为电子天平、HZQ－X100型振荡培养箱、红外线干燥箱、752N型紫外可见分光光度计、80－2型电动离心机、HH－4型数显恒温水浴锅、马弗炉等。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备

(1)钠化膨润土

称取50 g钙基膨润土置于大烧杯中，分散制浆，再加入2 g无水碳酸钠，调节pH为8.0;将烧杯放入HZQ－X100型振荡培养箱中，调节温度为25℃，转速为120 r/min，振荡2 h，然后将其放入红外线干燥箱中，调节温度为130℃干燥;干燥后，取出烧杯于室温下冷却，温度降至室温后研磨样品，并过筛使其粒径小于0.074 mm，即得到钠化膨润土，密封备用。

(2)有机改性膨润土

取一定量的钠化膨润土，于大烧杯中制浆，加热到60℃时，再加入一定量的十六烷基三甲基氯化铵改性剂;迅速将烧杯放入HZQ－X100型振荡培养箱中，调节温度为25℃，转速为120 r/min，振荡2 h，然后将其放入红外干燥箱中，调节温度为90℃，进行干燥;再将其放入马弗炉中，调节温度为105℃，进一步干燥;干燥完全后取出，待冷却至室温后研磨样品，并过筛使其粒径小于0.074 mm，得到改性膨润土，密封备用。

1.2.2 吸附实验

准确量取30 mL酸性大红模拟染料废水倒入250 mL锥形瓶中，调节pH至一定值，加入一定量的改性膨润土，振荡吸附一定时间后离心分离。在波长500 nm条件下测定酸性大红染料废水的吸光度［5］，并计算脱色率(去除率)R，

式中:A0、A——吸附处理前后废水的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 改性剂用量对吸附效果的影响

为确定有机阳离子季铵盐的用量对模拟染料废水吸附效果的影响，制得CTAC质量分数分别为0、10%、20%、30%、40%的有机改性膨润土，取该有机改性膨润土各0.2 g放入盛有100 mL质量浓度为20 mg/L的酸性大红染料模拟废水的锥形瓶中，保持温度为25℃，pH为6.0，振荡吸附60 min。实验结果如图1所示。

图1 改性剂用量对脱色率的影响Fig.1 Effect of modifier amount on decolorization rate

由图1可知，当改性剂质量分数小于20%时，脱色率随着其用量的增加而增加;当改性剂质量分数为20%时，脱色率最高，可达91.83%，之后开始下降。这是由于有机膨润土是通过有机改性剂中的有机阳离与钠基膨润土中的Na+发生离子交换反应获得，有机改性剂进入膨润土层间后加大了层间距。膨润土的吸附能力与其层间距密切相关，而层间距的大小与改性剂有效进入膨润土层间的物质的量有关［6－7］。当改性剂的物质的量不超过膨润土的阳离子交换容量时，有机膨润土的吸附性能随着改性剂用量的增加而增加，此时加入的改性剂均能有效进入膨润土层间。当有机改性剂的质量分数为20%时，膨润土的离子交换达到平衡，受膨润土交换容量的限制，超过交换容量的那部分改性剂就不能有效进入膨润土层间，这时再增加有机改性剂的用量反而使其聚集在膨润土表面，影响膨润土的吸附能力，使脱色率呈现下降趋势。因此，实验选定有机改性剂的质量分数为20%。

2.2 有机改性膨润土投加量对吸附效果的影响

在温度为25℃，pH为6.0的条件下，于7只烧杯中分别加入不同质量的经20%CTAC改性剂改性的膨润土及100 mL质量浓度为20 mg/L的模拟染料废水，振荡吸附60 min，离心分离10 min，考察改性膨润土投加量对脱色率的影响，结果见图2。

图2 有机膨润土投加量对脱色率的影响Fig.2 Effect of organic bentonite dosage on decolorization rate

由图2可知，当有机改性膨润土投加量小于1 g/L时，脱色率随着投加量的增加而增大;当投加量达到1.0 g/L时，脱色率最大，可达92.93%;当有机膨润土的投加量继续增大时，模拟染料废水的脱色率趋于稳定。这表明有机改性膨润土投加量为1.0 g/L时，对染料分子的吸附达到平衡。因此，有机改性膨润土的最佳投加量为1.0 g/L。

2.3 振荡吸附时间对吸附效果的影响

取经20%CTAC改性剂改性的膨润土1.0 g/L，在温度为25℃，pH为6.0，模拟废水初始质量浓度为20 mg/L的条件下，考查振荡吸附时间t对脱色率的影响，结果如图3所示。

图3 振荡吸附时间对脱色率的影响Fig.3 Effect of adsorption time on decolorization rate

由图3可知，振荡吸附时间小于30 min时，脱色率随着振荡吸附时间的增加逐渐升高，说明此时有机改性膨润土对染料分子的吸附尚未达到平衡。随着振荡吸附时间的延长，脱色率基本不变，说明经过有机改性的膨润土对染料废水吸附30 min左右就能达到吸附平衡，脱色率可达93.08%。因此，选定最佳振荡吸附时间为30 min。

2.4 pH对吸附效果的影响

取100 mL质量浓度为20 mg/L的模拟废水5份，用1 mol/L HCl或1 mol/L NaOH调节废水pH，使其分别达到 2.0、4.0、6.0、8.0、10.0。取经 20%CTAC改性剂改性的膨润土1 g/L，在25℃下震荡30 min，离心分离10 min，测量吸光度。考察废水pH对改性膨润土脱色性能的影响，结果见图4。

由图4可知，随着pH的增加，脱色率先升高后降低。当pH小于6.0时，脱色率随pH增加略有增加但不十分显著，这主要是因为:一方面在pH较低的酸性溶液中，H+较多，H+半径远远小于阳离子季铵盐而更容易与膨润土上的金属阳离子交换和吸附，导致阳离子季铵盐不能被膨润土充分吸附交换，从而使得膨润土的吸附能力下降;但另一方面由于膨润土颗粒表面吸附了更多的H+，孔容积增大，且去除了分布于膨润土通道中的杂质，使孔道得到疏通，有利于吸附质的扩散，从而增强其吸附性能。而当pH大于6.0时，脱色率随着pH的增加而下降，这主要是因为pH过高，H+浓度降低，但阳离子溶出量减少，与表面活性剂结合的活性位点数量也减少［8－9］。因此，染料废水的最佳 pH 为 6.0。

2.5 初始质量浓度对吸附效果的影响

在改性膨润土投加量为1.0 g/L，pH为6.0，温度为25℃，振荡时间为30 min，离心时间为10 min的条件下，考查不同酸性大红染料废水的初始质量浓度对脱色效果的影响，结果见图5。

由图5可知，当染料废水初始质量浓度小于40 mg/L时，脱色率随着初始质量浓度的增加逐渐升高;当初始质量浓度大于40 mg/L时，脱色率有所降低;当初始质量浓度为40 mg/L时，脱色率最高，脱色效果最好，可达95.66%。由此可见，有机改性膨润土对初始质量浓度为40 mg/L的酸性大红染料废水处理效果最好。

图5 初始质量浓度对吸附效果的影响Fig.5 Effect of initial concentration on decolorization rate

由以上实验分析可知，有机改性膨润土投加量为1.0 g/L，振荡时间为30 min，溶液pH 为6.0，初始质量浓度为40 mg/L时，对染料模拟废水的处理效果最佳。

3结论

(1)以十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)为改性剂，对天然膨润土进行有机改性。CTAC质量分数为20%时所制得的有机改性膨润土对模拟染料废水的脱色性能最好。

(2)CTAC改性膨润土吸附模拟染料废水的最佳工艺条件为:有机膨润土投加量1.0 g/L，吸附时间60 min，废水pH 6.0，初始质量浓度40 mg/L。在该工艺条件下，模拟染料废水的脱色率可达95.66%。

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(编辑 荀海鑫)

Adsorption conditions of simulative dye wastewater by organic modified bentonites

CAO Chunyan1，ZHAO Yonghua2
(1.College of Chemistry，Chemical Engineering ＆ Food Safety，Bohai University，Jinzhou 121013，China;2.School of Chemistry ＆ Environmental Engineering，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China)

X703

A

1671－0118(2011)05－0360－04

2011－09－14

曹春艳(1979－)，女，辽宁省朝阳人，讲师，硕士，研究方向:环境污染物治理，E-mail:caochunyan－04@163.com。