磁性粉煤灰基沸石的制备及其对亚甲基蓝的吸附研究

王 凯，李秀华，余 杰，马月欣，刘文娟

（赤峰学院 化学化工学院，内蒙古 赤峰 024000）

磁性粉煤灰基沸石的制备及其对亚甲基蓝的吸附研究

王 凯，李秀华，余 杰，马月欣，刘文娟

（赤峰学院 化学化工学院，内蒙古 赤峰 024000）

以粉煤灰为主要原料，负载Fe3O4为磁核，采用水热合成法制备磁性沸石，并将其用于对亚甲基蓝的吸附研究，考察了pH、吸附剂的用量、吸附时间、初始浓度等对吸附效果的影响.结果表明，磁性粉煤灰基沸石对亚甲基蓝具有较好的吸附能力，脱出率在90%以上；在pH=5时的吸附量最大；吸附时间在4min内基本上达到吸附平衡.

粉煤灰；磁性；吸附；沸石

1 引言

随着社会的发展，人们对颜色的要求越来越高，染料工业为了满足人们的需要也在不断的取得新的发展，但是同时也带来了环境问题，染料废水的源源不断的排放，对水资源还有土壤造成了巨大的危害.染料废水中的染料难以被降解，化学性质稳定，且浓度大，很难被处理掉[1].为了解决染料的污染问题，人们做了不同的方法和技术，常用的方法有微波诱导催化法[2]、MBR-RO工艺[3]、超临界水氧化法[4]、生物降解[5]等.但这些方法通常方式流程繁琐、投资资本和运行费用较高.由于吸附法操作简单、能耗低、吸附剂种类多和吸附效率高等优点，已成为处理染料废水的有效方法[6].沸石是一种具有规则孔道的硅铝酸盐，具有良好的吸附性能，被广泛的应用于石油化工和污水处理等领域[7].粉煤灰是火力发电的固体废弃物，将其进行适当的处理后，可以合成沸石，用于污水处理.

由于合成的沸石多为较小的晶体颗粒，从溶液中分离比较困难.将磁核Fe3O4引入沸石中，可以获得磁性粉煤灰基沸石，在外加磁场的的作用下很容易将其从溶液中分离[8].本实验是将粉煤灰经过一系列反应制备成具有磁性的粉煤灰基沸石，将其应用于对亚甲基蓝的吸附，研究了pH、初始浓度、时间和吸附剂用量对磁性粉煤灰基沸石的吸附性能影响.

2 实验部分

2.1 主要仪器和试剂

仪器：电热鼓风干燥箱（HG101-2，）南京红龙仪器设备厂；恒温磁力搅拌器（85-2），常州国华电器有限公司；气浴恒温振荡器（SZ-82），常州澳华仪器有限公司.

试剂：氢氧化钠(NaOH)，盐酸（HCl），FeCl3· 6H2O，FeSO4·7H2O，亚甲基蓝，以上试剂均为分析纯.

2.2 磁性粉煤灰的合成

称取20g粉煤灰按固液比例1:4在粉煤灰中加入20%的HCl溶液，磁力搅拌，除去粉煤灰中的杂质，水洗、过滤、干燥，得到酸化的粉煤灰.称取10g酸化后的粉煤灰放入到200ml 蒸馏水中，然后加入1.6g FeCl3以及9.12g FeSO4，混合成浆液的形态，滴加1mol/L NaOH溶液将pH值调为12，抽滤，水洗至中性，就得到了磁性粉煤灰.

2.3 磁性沸石的制备

称取10g磁性粉煤灰，在其中加入2mol/L的NaOH溶液，按照比例为1:6混合，在室温中剧烈的搅拌1h，得到凝胶.将其放入带有Teflon内丹的金属反应釜中，完全封闭后放在干燥箱中50℃老化1h，再将温度升至110℃晶化24小时，取出，用离心使固液完全分离，再使用蒸馏水洗涤到pH值在8～9为止，继续在110℃下烘干，研磨，得到磁性粉煤灰基沸石.

2.4 标准曲线的绘制

精确配置100mg/L的亚甲基蓝溶液1L，摇匀，备用，50ml容量瓶5个，分别加入亚甲基蓝溶液1ml、2ml、3ml、4ml、5ml，并用水定容到体积，混合均匀，备用.

在664nm波长下，以水作为对照，测量亚甲基蓝准确浓度系列中各液体的吸光度，把浓度当做X轴，用吸光度作为Y轴画出标准曲线.亚甲基蓝标准曲线方程是y=0.19687x+0.05814，相关系数为0.9979，该标准曲线满足工作的要求.

图1 亚甲基蓝的标准曲线

2.5 吸附性能的测试

准确称取一定质量的磁性粉煤灰基沸石分别加入50mL一定浓度的亚甲基蓝溶液中，将其放入空气恒温振荡器内振荡，调节振荡频率（150r/min）.吸附完成后取上层溶液，对吸附后的溶液进行测定.根据式（1）计算单位质量磁性粉煤灰基沸石对亚甲基蓝的吸附量：

式中，qe为平衡吸附量（mg/g）；C0和Ce分别为亚甲基蓝的初始浓度和平衡浓度(mg/L）；V为溶液的体积（L）；m为磁性粉煤灰基沸石的干重（g）.

3 结果与讨论

3.1 pH对吸附性能的影响

在磁性粉煤灰基沸石加入了量和初始浓度等条件不变的情况下，考察不同初始pH值对亚甲基蓝吸附量的影响，结果如图2所示.由图2可知，pH是影响吸附量的主要因素之一.随着pH的增加，磁性粉煤灰基沸石的吸附量先增加后降低，pH为5时吸附效果较好.这是因为pH较低时，体系中H+含量较多，有利于磁性粉煤灰基沸石中的硅酸盐和Fe3O4的质子化，从而促进对带负电荷亚甲基蓝的吸附；但溶液中过低的pH值，将会溶解部分Fe3O4，使吸附量降低.当pH升高时，OH－浓度增加，使磁性粉煤灰基沸石表面带负电荷，与溶液中带负电的亚甲基蓝形成静电斥力.

图2 pH值对亚甲基蓝吸附效果的影响

3.2 初始浓度对磁性沸石吸附效果的影响

磁性粉煤灰基沸石加入量和pH为5等条件不变的情况下，考察亚甲基蓝不同初始质量浓度对吸附量的影响，结果如图3所示.磁性粉煤灰基沸石对亚甲基蓝的吸附量，随亚甲基蓝初始浓度的增加而增大，增大到一定浓度后，饱和吸附量基本不变，其吸附量为44.8mg/g.

图3 初始浓度对吸附量的影响

3.3 时间对沸石吸附效果的影响

磁性粉煤灰基沸石加入量和pH为5等条件不变的情况下，考察不同接触时间对亚甲基蓝吸附效果的影响.由图4可以看出：磁性粉煤灰基沸石明显高于非磁性粉煤灰基沸石.说明在弱酸性条件下，磁核Fe3O4的加入，与亚甲基蓝存在着静电吸引力.对于磁性粉煤灰基沸石，磁性粉煤灰基沸石对亚甲基蓝的吸附量逐渐增大，40min后吸附达到饱和，吸附量基本保持不变.主要是由于吸附初期，吸附空位比较多，溶液中的亚甲基蓝分子快速占据磁性粉煤灰基沸石的吸附位，吸附速率比较快.

图4 吸附时间对吸附量的影响

3.4 磁性沸石用量对吸附效果的影响

图5 吸附剂用量对吸附的影响

亚甲基蓝初始浓度和pH为5等条件不变的情况下，考察不同磁性粉煤灰基沸石吸附剂对亚甲基蓝吸附效果的影响，如图5所示.随着磁性粉煤灰基沸石吸附剂用量的增加，亚甲基蓝的吸附率随之增大，磁性粉煤灰基沸石吸附剂对亚甲基蓝去除率由48%增加到90%以上，当磁性粉煤灰基沸石吸附剂的用量继续增大时，亚甲基蓝的去除率增长幅度降低.这主要是由于磁性粉煤灰基沸石吸附剂投加量增大，可提供较多吸附点位，提高了亚甲基蓝的吸附率.吸附率增加到90%以后，继续增加吸附剂用量对吸附率的影响不大.对于吸附量而言，磁性粉煤灰基沸石吸附剂对溶液中亚甲基蓝的吸附量随着吸附剂用量的增加而降低，其原因为吸附剂用量的增加会使吸附剂表面处于不饱和状态的吸附位增多.

4 结论

磁性粉煤灰基沸石吸附剂对亚甲基蓝有较好的吸附作用，随着吸附剂用量的增加，脱除率在90%以上；pH对吸附量影响比较大，随着pH的增加，吸附量先增大后降低，在pH=5时吸附量最大；通过对吸附时间的测定，在40min内基本达到吸附平衡；在室温下，最大吸附量为44.8mg/g.因此，磁性粉煤灰基沸石吸附剂处理印染废水，具有一定的应用价值.

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〔4〕褚旅云,廖传华,方向.超临界水氧化法处理高含量印染废水研究[J].水处理技术,2009,35(8):84-86.

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〔7〕鲁敏,吕璇,李房玉,等.粉煤灰合成沸石对亚甲基蓝的吸附热力学和动力学研究.东北电力大学学报,2014,34(6):21-24.

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X075

A

1673-260X（2016）11-0012-03

2016-07-21

内蒙古自然科学基金面上项目（2014MS0215）；内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZC16252）；赤峰学院实践创新教育项目（1601007）