坡缕石/硅藻土组合体系的吸附性能研究

成奖国

（1.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.贵州省优势矿产资源高效利用工程实验室，贵州 贵阳 550025）

坡缕石/硅藻土组合体系的吸附性能研究

成奖国1，2，3

（1.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.贵州省优势矿产资源高效利用工程实验室，贵州 贵阳 550025）

坡缕石、硅藻土均因很大的比表面积而具有很好的吸附性能，可用于化工和吸附净化材料领域。本文主要研究了硅藻土/坡缕石组合矿物体系对亚甲基蓝的吸附脱色效果。研究结果表明，硅藻土/坡缕石组合体系在吸附过程中会产生一定的协同互补作用，其吸附效果较单独使用硅藻土、坡缕石好；矿物用量、配比及吸附时间均对组合矿物体系的吸附效果产生影响，其中矿物用量影响最大，吸附时间影响最小。正交试验优化吸附条件为:硅藻土/坡缕石用量0.8g，坡缕石、硅藻土配比为4∶6，吸附时间为60min；在此条件下组合体系对亚甲基蓝溶液的 脱色率可达92.5%。

坡缕石；硅藻土；吸附； 组合体系

坡缕石（又称凹凸棒石）是一种含水的2∶1型层链状镁质铝硅酸盐黏土矿物［1］，具有天然的纳米孔隙结构，被世界公认为稀缺性黏土矿物。它因具有独特的层链状晶体结构特征而显示出质轻、吸附性能强、耐高温、化学性能稳定等多种优良的物理化学性能，具有较高的应用价值，被称为“千种用土，万土之王”［2］。 坡缕石强的吸附性表现在它既能吸附重金属离子和大分子、极性有机分子，又可吸附润滑油脂、醇、醛、芳香烃链等大分子或微菌、霉块等有机物，目前广泛应用于石油、化工、环保等行业［3-7］。我国坡缕石资源丰富，储量居世界首位，仅在甘肃靖远和会宁两地发现的坡缕石矿，探明储量达11亿t，占世界的4/5［8-9］。

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由古代硅藻的遗骸所组成。其化学成分以SiO2为主，可用SiO2·nH2O表示，易溶于强碱及氢氟酸，矿物成分为蛋白石及其变种。硅藻壳体有大量微孔，孔隙度达65%～92%，其微孔含量是木炭的5000～6000倍，吸附性能超强。我国硅藻土主要集中在华东及东北地区［10］，其土比重小，孔隙大，吸附性强，用途十分广泛，但其SiO2含量较低，仅64.80%，是一种黏土质的硅藻土［11］。国内硅藻土主要用于助滤剂、保温材料、生态建材、吸附剂及载体材料、水处理剂等环境治理材料及各类填料等［12-14］。

印染废水中的染料对环境安全及人体健康有较大的影响，同时废水中的染料会影响水体自净，影响水体中微生物及鱼类的安全，危害生态环境。因此，处理废水中的有毒物的研究一直受到大量关注［15-17］。本文主要基于硅藻土和坡缕石黏土共同的强吸附性，研究硅藻土/坡缕石黏土组合体系的吸附性能。

1 试验部分

1.1 实验原料及设备

研究用的坡缕石黏土来自甘肃靖远，块状；硅藻土来自浙江省嵊州市，粗颗粒状。将硅藻土和坡缕石原矿经干燥后，采用实验室颚式破碎机和行星球磨机粉碎至过0.074mm筛后，封装备用。坡缕石黏土和硅藻土样品的XRF分析结果显示，硅藻土主要化学成分为:SiO264.80%，Al2O316.40%，Fe2O32.91%，CaO 0.33%，MgO 0.15%，烧失量 11.6%；坡缕石的主要化学组成为:Na2O 1.41%，MgO 2.98%，Al2O318.99%，SiO262.55%，K2O 4.15%，CaO 0.12%，TiO20.71%，MnO 0.06%，Fe2O35.95%［18］。化学组成显示，试验用的坡缕石黏土和硅藻土中的主要成分SiO2和Al2O3含量非常接近。

试验用的主要设备有:PEX100×100实验室颚式破碎机，QM-3SP4行星球磨机，TD5A-WS离心机，HJ-4磁力搅拌器，TDL-1850S紫外-分光光度计，FA1104电子分析天平。

1.2 试验方法

试验采用分光光度法测定溶液中亚甲基蓝（MB）的含量。用电子分析天平准确称量干燥品亚甲基蓝0.005g，在小烧杯中全部溶解后完全转移进入250mL容量瓶中，滴加去离子水准确稀释到标线，配制成浓度为20 mg·L-1的亚甲基蓝溶液，各取该溶液1、2、3、4、5、6、7 mL，分别转入50 mL容量瓶中，加去离子水稀释至标线，配制成浓度为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4、2.8 mg·L-1的系列标准溶液。

依次用紫外-分光光度计在特征波长665nm处检测所配制的系列标准溶液的吸光度值，绘制浓度与吸光度标准曲线，结果如图1所示。

图1 亚甲基蓝溶液的浓度-吸光度标准曲线

将吸附试样对固定浓度的亚甲基蓝溶液进行吸附试验，采用紫外-可见分光光度计测定吸附后溶液的吸光度，将试验测得的吸光度与亚甲基蓝的吸附标准曲线进行比对，可得吸附后溶液中亚甲基蓝的浓度数值，依据式（1）计算矿物试样对亚甲基蓝溶液的脱色率。

式中:η为溶液的脱色率；C0为吸附前亚甲基蓝的初始浓度；C为吸附后的亚甲基蓝溶液的浓度。

采用坡缕石和硅藻土及混合矿物对亚甲基蓝溶液的脱色率来表征其吸附性能。

1.3 试验步骤

1.3.1 原矿吸附的单因素实验

首先确定坡缕石和硅藻土的用量。加入不同质量的坡缕石、硅藻土试样，测定同一浓度亚甲基蓝溶液的吸附情况。在磁力搅拌器上常温搅拌吸附10min，然后对悬浮液进行离心分离后取上层清液，以蒸馏水为参比测定吸光度。依据式（1）计算出坡缕石和硅藻土对亚甲基蓝溶液的脱色率，分别以脱色率最大时的坡缕石、硅藻土用量为后续单因素试验的最佳用量。

最佳吸附时间的确定。在最佳坡缕石、硅藻土用量下，分别搅拌吸附20、30、40、50min，重复吸光度的测定过程，以脱色率最大的搅拌吸附时间为最佳吸附时间。

坡缕石和硅藻土的混合吸附试验。分别按照坡缕石、硅藻土配比为8∶2、6∶4、5∶5、4∶6、2∶8称取原矿试样，重复吸附脱色试验过程，逐次测定吸光度并计算脱色率，确定脱色率最大的坡缕石和硅藻土配比为最佳配比。

1.3.2 正交实验

以矿物用量、矿物配比和吸附时间为考察因素，在单因素试验所得最佳矿物用量、吸附时间和配比结果的基础上，进行三因素三水平的吸附正交试验。正交试验因素与水平见表1。

表1 不球磨混合坡缕石/硅藻土正交试验的因素与水平表

2 结果与讨论

2.1 单一矿物的吸附性能比较

2.1.1 硅藻土、坡缕石用量对吸附性能的影响

图2为吸附时间10min时，硅藻土和坡缕石用量对亚甲基蓝的脱色效果。从图2可以看出，坡缕石的吸附性相对比较稳定，随着用量增加，脱色效果逐渐提高；硅藻土的脱色效果在开始随用量增加缓慢上升，但在用量超过一定值（0.6g）后，脱色率突然快速上升。

图2 矿物用量对吸附效果的影响

2.1.2 吸附时间对硅藻土、坡缕石吸附性能的影响

图3 吸附时间对吸附效果的影响

2.2 硅藻土/坡缕石混合体系的吸附性能试验

2.2.1 混合体系不同用量下的吸附效果

图4 组合矿物用量对吸附效果的影响

图4为坡缕石/硅藻土配比为2∶8，吸附时间为10min时，矿物组合体系用量对吸附效果的影响。从图4中可以看出，随着组合体系用量的增加，体系对亚甲基蓝溶液的脱色率变化在开始时快速上升，然后伴随有略微下降后又以较缓慢的趋势继续上升。开始上升很快的原因是组合矿物体系对于固定浓度的亚甲基蓝溶液远远没有满足需求。

2.2.2 组合体系吸附不同时间的吸附效果

图5为坡缕石/硅藻土配比为2∶8，混合矿物用量为0.7000g时，组合体系的脱色效果随吸附时间的变化关系曲线。从中可以看出，组合矿物的吸附效果总体上随吸附时间的增加而上升，且上升速率比较平稳；在吸附30min时，出现了一个脱色率基本保持不变的平台，该平台在持续10min后又开始上升。脱色率在30min处脱色率在一段时间内保持不变的原因应该是矿物组合体系在该处达到了表面单分子层吸附饱和，后期脱色率继续上升表示表面吸附的亚甲基蓝分子部分扩散进入到了硅藻土和坡缕石的内部孔隙中，使得其表面吸附出现空位而继续发生吸附现象。图5中所呈现的变化趋势总体符合吸附的一般规律。

图5 组合体系吸附时间与脱色率变化曲线

2.2.3 组合体系配比对吸附性能的影响

图6 矿物配比对吸附效果的影响

图6为混合矿物用量为0.7000g，吸附时间10min时，坡缕石/硅藻土的配比与脱色效果的变化关系。从图6中可以看出，随着坡缕石配量的增加，混合体系的脱色效果呈现先稍微增加后快速下降的趋势，这与前面的单一矿物试验结果基本相吻合。硅藻土的吸附性能稍优于坡缕石，坡缕石的配比增加，在体系总质量不变的情况下，硅藻土用量减小，因此会呈现出后期的脱色率下降趋势。开始时硅藻土含量降低后脱色率呈现出的少许增加，可能是由于硅藻土和坡缕石之间因为结构差异而产生一定的协同效应。

综合对比图2和图4，图3和图5可以发现，坡缕石/硅藻土组合体系比单一矿物对亚甲基蓝溶液的脱色效果均有所提升，这说明硅藻土和坡缕石各自的独特结构，使得二者所组成的混合体系在对亚甲基蓝溶液进行吸附时，会产生一定的协同互补作用，从而提高体系吸附效果。

2.3 硅藻土/坡缕石混合体系吸附的正交试验

在单因素试验结果的基础上，按照表1中的因素和水平，对坡缕石/硅藻土混合体系吸附亚甲基蓝溶液进行正交试验，进一步对吸附条件进行优化。正交试验结果与极差分析结果列于表2。从表2中可以看出，组合矿物对亚甲基蓝的脱色率最高可达到92%，最小为84%。极差分析结果表明，硅藻土/坡缕石体系在吸附试验中，影响吸附效果的最主要因素是混合体系用量，其次为坡缕石/硅藻土的配比，吸附时间对吸附效果的影响最小。混合体系吸附亚甲基蓝的最佳因素组合为坡缕石/硅藻土用量0.8g，坡缕石、硅藻土配比为4∶6，吸附时间为60min。其中坡缕石、硅藻土的配比与单因素实验结果保持一致。

表2 坡缕石/硅藻土组合体系吸附的正交试验结果与极差分析

在优化后的条件下进行吸附试验，组合体系对亚甲基蓝溶液的脱色率可达92.5%。

3 结论

1）单因素试验研究结果表明，本研究中所使用的硅藻土的吸附效果比坡缕石好，可达90.2%；硅藻土、坡缕石对亚甲基蓝的吸附作用开始时速度较快，吸附作用基本在30min内完成。

2）坡缕石/硅藻土组合体系的用量、配比及吸附时间均对混合矿物体系的吸附效果有影响，其中矿物用量影响最大，吸附时间影响最小。优化吸附条件为:硅藻土/坡缕石用量0.8g，坡缕石、硅藻土配比为4∶6，吸附时间为60min。在此条件下组合体系对亚甲基蓝溶液的脱色率可达92.5%。

3）组合体系的吸附效果较单独的坡缕石、硅藻土好，表明二者在吸附过程中会产生一定的协同互补作用。

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Research on Adsorption Properties of Palygorskite/Diatomite Combination System

CHENG Jiang-guo1，2，3
（1. Mining College， Guizhou University， Guiyang 550025， China； 2. Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources， Guiyang 550025， China； 3. Guizhou Engineering Laboratory of Effective Utilization of Re gional Mineral Resources， Guiyang 550025， China）

With large specific surface area， the palygorskite and diatomite were both had good adsorption properties， and could be used in the areas of chemical and adsorption purifi cation materials. In this paper， the adsorption and decolorazing effect of the mixed mineral system of palygorskite/diatomite on the methylene blue solution was studied. Results showed that the palygorskite/ diatomite system could make some certain coordination and complementation effects in the adsorption process， and their adsorption effect was better than using diatomite and palygorskite individually. The mineral quantities， combination ratio and adsorption time could infl uence the adsorption effect of mineral combination system. In these factors， the most infl uential was the mineral quantitie and the adsorption time was the smallest one. The optimum adsorption conditions got from the orthogonal experiment were: the total amount of palygorskite/diatomite was 0.8g， the ratio of palygorskite to diatomite was 4:6， the adsorption time was 60min， and the decolorization rate of palygorskite/diatomite system on the methylene blue solution reached 92.5% under the optimum adsorption conditions.

palygorskite； diatomite； adsorption； combination system

TQ 424.2

A

1671-9905（2016）10-0014-05

成奖国（1981-），男，汉族，陕西省武功县人，讲师，硕士，在读博士，主要从事矿物加工和矿物材料研究及教学工作。电话:13885041743，E-mail: jgcheng@gzu.edu.cn

2016-08-12