钠基蒙脱土对亚甲基蓝的吸附和解吸研究

赵亚红，庞方亮，王 丽，王爱勤

(1.内蒙古农业大学 材料科学与艺术设计学院，内蒙古 呼和浩特 010018;

2.中国科学院 兰州化学物理研究所，甘肃 兰州 730000)

材料与药剂

钠基蒙脱土对亚甲基蓝的吸附和解吸研究

赵亚红1，庞方亮1，王 丽1，王爱勤2

(1.内蒙古农业大学 材料科学与艺术设计学院，内蒙古 呼和浩特 010018;

2.中国科学院 兰州化学物理研究所，甘肃 兰州 730000)

采用正交实验方法，确定了钠基蒙脱土吸附亚甲基蓝染料的最佳吸附条件。采用试剂再生法、超声波法、高温焙烧法、氢氧化钠－高温焙烧结合法对钠基蒙脱土吸附亚甲基蓝进行解吸。用扫描电子显微镜照片和红外光谱对吸附前后的钠基蒙脱土的结构进行表征。实验结果表明:在亚甲基蓝溶液pH为10、吸附温度为60°C、亚甲基蓝质量浓度为1 300 mg/L、吸附时间为6 h时，钠基蒙脱土对亚甲基蓝的吸附量可高达412 mg/g;氢氧化钠－高温焙烧结合法对钠基蒙脱土的解吸效果最好，但吸附前后，钠基蒙脱土的结构发生明显变化。

钠基蒙脱土;亚甲基蓝;吸附;解吸;废水处理

染料废水是目前我国主要的有害工业废水之一。这类废水浓度高、色度深、降解难、成分复杂，直接排入水中会引起水质污染［1］。在众多的染料废水中，偶氮染料废水被公认是难治理的高浓度有机废水之一［2］。亚甲基蓝是水溶性偶氮染料的代表性化合物，在水溶液中会形成有机“阳离子型”的季胺盐离子基团，且色度很高，对环境污染严重［3］。目前，染料废水常用的处理方法有絮凝沉淀法［4－5］、臭氧氧化法［6－7］、光催化法［8－9］、膜分离法［10－11］和吸附法等。其中吸附法由于不会引入新的污染物、能耗低且能从废水中富集分离有机污染物，因而受到人们的广泛关注［12－13］。

蒙脱土作为一种天然的高分子吸附剂，具有较大的比表面积和阳离子交换容量，因此被广泛应用于染料废水处理。关于蒙脱土吸附亚甲基蓝的研究虽已有报道［14－16］，但是采用正交实验确定蒙脱土吸附亚甲基蓝的最佳吸附条件的研究还鲜见报道。而且在实际应用中，吸附后的吸附剂是否可经解吸再生重复使用，这也是经济上具有吸引力的关键所在［17］。

本工作通过正交实验考察了吸附条件对钠基蒙脱土吸附亚甲基蓝能力的影响，并对吸附后的钠基蒙脱土进行解吸，同时分析吸附前后钠基蒙脱土的结构变化。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

钠基蒙脱土:阳离子交换容量1 mmol/g，浙江丰虹黏土化工有限公司。亚甲基蓝:纯度98.5%。其他试剂皆为分析纯。

N EXUS型傅立叶变换红外光谱仪:美国Thermo Nicolet公司;JSM－5600LV型扫描电子显微镜:日本JEOL公司;H－2050R型台式高速冷冻离心机:长沙高新技术产业开发区湘仪离心机仪器有限公司;TU－1901型双光束紫外－可见分光光度计:北京普析通用仪器有限公司。

1.2 吸附实验方法

准确称取0.100 0 g钠基蒙脱土，加入35 mL亚甲基蓝水溶液，置于水浴恒温振荡器中(转速150 r/min)，在一定温度下吸附一定时间，使之达到吸附平衡。分离吸附液，在波长670 nm处测定亚甲基蓝质量浓度，按式(1)计算吸附量。

式中:Q为吸附量，mg/g;ρ0为亚甲基蓝的初始质量浓度，mg/L;ρe为达到吸附平衡时的亚甲基蓝质量浓度，mg/L;V为亚甲基蓝溶液体积，L;m为钠基蒙脱土的质量，g。

1.3 解吸实验方法

试剂再生法:将吸附饱和的钠基蒙脱土(质量，g)分别与浓度为1 mol/L的硫酸、1 mol/L的氢氧化钠、乙醇、蒸馏水(体积，mL)按1∶30的比例充分混合后在30°C、150 r/min的水浴恒温振荡器中振荡3 h。

超声波法:将吸附饱和的钠基蒙脱土与水混合，用功率为90 W的超声波处理3 h。

高温焙烧法:将吸附饱和的钠基蒙脱土500°C高温焙烧3 h。

氢氧化钠－高温焙烧结合法:将吸附饱和的钠基蒙脱土按试剂再生法用浓度为1 mol/L氢氧化钠处理，再经500°C高温焙烧3 h。

将经上述方法处理后的钠基蒙脱土用水清洗直到洗液无颜色后调节至中性，60°C烘干后粉碎，过200目筛，在正交实验确定的最佳条件下进行二次吸附实验。

2 结果与讨论

2.1 吸附条件的确定

采用正交实验法，选用L9(34)正交设计表，考察了亚甲基蓝溶液pH、吸附温度、亚甲基蓝质量浓度和吸附时间对吸附量的影响，正交实验因素水平见表1，正交实验结果见表2。

表1 正交实验因素水平

表2 正交实验结果

由表2可见:影响吸附量指标的因素大小顺序为吸附温度＞亚甲基蓝溶液pH＞吸附时间＞亚甲基蓝质量浓度;最佳吸附条件为A3B3C1D3，即亚甲基蓝溶液pH为10、吸附温度为60°C、亚甲基蓝质量浓度为1 300 mg/L、吸附时间为6 h。在此最佳实验条件下的验证实验结果表明，最大吸附量为412 mg/g。

2.2 不同解吸方法对二次吸附量的影响

不同方法解吸后的钠基蒙脱土对亚甲基蓝的吸附量见图1。由图1可见:经结合法解吸后的钠基蒙脱土吸附量最大，可达74 mg/g;高温焙烧法解吸的钠基蒙脱土二次吸附量相对较大，为68 mg/g。但二次吸附量均比第一次吸附时的412 mg/g小得多，说明这几种解吸方法对钠基蒙脱土上亚甲基蓝的解吸效果均不理想，这是由于钠基蒙脱土对亚甲基蓝的吸附作用不仅仅是表面吸附，还同时存在离子交换吸附和化学吸附［18］，试剂再生法和高温焙烧法在解吸过程中不能使层间的亚甲基蓝分子发生解吸，仅对钠基蒙脱土表面的亚甲基蓝分子发生作用，且解吸后的钠基蒙脱土由于表面残留的染料分子的排斥力作用使其表面的空白吸附位难以被其他染料分子占据［19－20］。

图1 不同方法解吸后的钠基蒙脱土对亚甲基蓝的吸附量

2.3 扫描电子显微镜照片分析

吸附前(a)后(b)钠基蒙脱土扫描电子显微镜照片见图2。由图2可见:钠基蒙脱土片层规则整齐地排列在材料表面，而且比较致密;而吸附后，钠基蒙脱土表面片层结构呈团状无规则分散，而且比较疏松。这说明染料分子进入了蒙脱土层间，导致蒙脱土的表面形貌发生了变化。

图2 吸附前(a)后(b)钠基蒙脱土的扫描电子显微镜照片

2.4 红外光谱谱图分析

吸附前后钠基蒙脱土的红外光谱谱图见图3。

图3 吸附前后钠基蒙脱土的红外光谱谱图

由图3可见:钠基蒙脱土在3 627 cm－1处的—OH伸缩振动吸收峰在吸附亚甲基蓝后明显减弱;同时，钠基蒙脱土在3 424 cm－1和1 636 cm－1处的O—H伸缩振动吸收峰在吸附亚甲基蓝后增强并分别向3 441 cm－1和1 602 cm－1处移动;吸附后的钠基蒙脱土分别在1 490，1 249，884 cm－1处出现亚甲基蓝芳香环的特征伸缩振动吸收峰，这说明亚甲基蓝染料分子进入了钠基蒙脱土层间，可能与蒙脱土中的—OH键通过蒙脱土的层间阳离子发生了配位或络合作用。

3 结论

a)通过正交实验得出钠基蒙脱土吸附亚甲基蓝的最佳吸附条件:亚甲基蓝溶液pH 10、吸附温度60°C、亚甲基蓝溶液质量浓度1 300 mg/L、吸附时间6 h。在此条件下，钠基蒙脱土对亚甲基蓝的吸附量可高达412 mg/g。

b)采用试剂再生法、超声波法、高温焙烧法、氢氧化钠－高温焙烧结合法对吸附饱和的钠基蒙脱土进行解吸和二次吸附研究。经氢氧化钠－高温焙烧结合法解吸的钠基蒙脱土二次吸附量最大，为74 mg/g。但这些方法对钠基蒙脱土上亚甲基蓝的解吸效果均不理想。

c)扫描电子显微镜照片和红外光谱谱图表征结果显示，钠基蒙脱土吸附亚甲基蓝后的结构发生明显变化。

［1］ Nandi B K，Goswami A，Purkait M K.Adsorption characteristics of brilliant green dye on kaolin［J］.J Hazard Mater，2009，161(1):387 －395.

［2］ 王爱民，杨立红，张素娟，等.电化学方法治理含染料废水的现状与进展［J］.工业水处理，2001，21(8):4－7.

［3］ 姚超，刘敏，李为民，等.凹凸棒石/氧化锌纳米复合材料对亚甲基蓝的吸附性能［J］.环境科学学报，2010，30(6):1211－1219.

［4］ 刘霖，皮科武，吴思敏.蒙脱石基絮凝剂处理染料废水［J］.化工环保，2007，27(6):567－571.

［5］ Sadri M S，Alavi M M R，Arami M.Coagulation/flocculation process for dye removal using sludge from water treatment plant:Optimization through response surface methodology［J］.J Hazard Mater，2010，175(1 －3):651－657.

［6］ 杨俊，鲁胜，丁艳华.改性赤泥絮凝－臭氧氧化处理模拟印染废水［J］.化工环保，2010，30(4):287－291.

［7］ 简丽，王本洋.臭氧氧化－曝气生物滤池处理含高浓度硝基苯类化合物废水［J］.化工环保，2010，30(5):408－411.

［8］ 王程，张璞，李艳，等.天然矿物材料处理印染废水的研究进展［J］.化工环保，2008，28(5):404－407.

［9］ Jain R， ShrivastavaM. Photocatalyticremovalof hazardous dye cyanosine from industrial waste using titanium dioxide［J］.J Hazard Mater，2008，152(1):216－220.

［10］ Sachdeva S，Kumar A.Preparation of nanoporous composite carbon membrane for separation of rhodamine B dye［J］.J Membr Sci，2009，329(1 － 2):2－10.

［11］ Majewska-Nowak K M.Application of ceramic membranes for the separation of dye particles［J］.Desalination，2010，254(1－3):185－191.

［12］ Sun Deshuai，Zhang Xiaodong，Wu Yude.Adsorption of anionic dyes from aqueous solution on fly ash［J］.J Hazard Mater，2010，181(1－3):335－342.

［13］ 易怀昌，孟范平，宫艳艳.壳聚糖对酸性染料的吸附性能研究［J］.化工环保，2009，29(2):113－117.

［14］ Almeida C A P，Debacher N A，Downs A J，et al.Removal of methylene blue from colored effluents by adsorption on montmorillonite clay［J］.J Colloids Interf Sci，2009，322(1):46 －53.

［15］ Ma Yulong， XuZirong， TongGuotong， etal.Adsorption of methylene blue on Cu(II)-exchanged montmorillonite［J］.J Colloids Interf Sci，2004，280(2):283－288.

［16］ Wang Li，Zhang Junping，Wang Aiqin.Removal of methylene blue from aqueous solution using chitosan-gpoly(acrylicacid)/montmorillonite superadsorbent nanocomposite［J］.Colloids Sur A:Physicochem Eng Aspects，2008，322(1－3):47－53.

［17］ 黄美荣，李舒.重金属离子天然吸附剂的解吸与再生［J］.化工环保，2009，29(5):385－393.

［18］ 王连军，黄中华，刘晓东，等.膨润土的改性研究［J］.工业水处理，1999，19(1):9－11.

［19］ Mall I D，Srivastava V C，Agarwal N K.Removal of orange-g and methyl violet dyes by adsorption onto bagasse fly ash-kinetic study and equilibrium isotherm analyses［J］.Dyes Pigments，2006，69(3):210 －223.

［20］ 赵大传，朱艳秋，张瑞海.膨润土改性及其在染料废水处理中的应用［J］.山东建筑工程学院学报，2006，21(3):234－238.

Study on Adsorption and Desorption of Methylene Blue on Na-montmorillonite

ZhaoYahong1，Pang Fangliang1，Wang Li1，Wang Aiqin2

(1.College of Material Science and Art Design，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot Inner Mongolia 010018，China;
2.Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China)

The optimum conditions for adsorption of methylene blue(MB)onto Na-montmorillonite(Na-MMT)were determined by orthogonal tests.The MB on Na-MMT was desorbed by agent regeneration method，ultrasonic wave method，high temperature calcination method and sodium hydroxide-high temperature calcination method，respectively.The structures of Na-MMT before and after adsorption were characterized by SEM and FT-IR.The experimental results indicate that:When the MB solution pH is 10，the adsorption temperature is 60℃，the MB mass concentration is 1 300 mg/L and the adsorption time is 6 h，the adsorption quantity of MB on Na-MMT is as high as 412 mg/g;The best method for desorption of Na-MMT is the sodium hydroxide-high temperature calcination method，but the structures of Na-MMT before and after adsorption are changed obviously.

Na-montmorillonite;methylene blue;adsorption;desorption;wastewater treatment

X703.1

A

1006－1878(2011)04－0357－04

2011－02－24;

2011－03－22。

赵亚红(1987—)，女，内蒙古自治区赤峰市人，硕士生，研究方向为纳米功能高分子材料。电话15904889234，电邮 shuipingzuowsw@163.com。联系人:王丽，电话 15124706859，电邮 wl2083663@126.com。

国家自然科学基金资助项目(20867004);国家林业公益性行业科研专项(201104004)。

(编辑 张艳霞)