烟碱在钠基膨润土中的吸附特性研究

高 秀，黄 璐

(西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610000)

1 引言

研究表明，垃圾填埋场渗滤液中至少含有50种有机污染物，相对含量明显高于其他有机物的主要成分有尼古丁[1]，又称烟碱，溶于水和乙醇，难以被絮凝剂絮凝沉淀，不易自然降解，一旦进入土壤和水体会破坏生态平衡，进入人体后会使人患上肺癌及相关的外周动脉疾病[2]。而填埋场中的防渗垫层能够防止渗滤液进入地下水，防渗垫层中常用的防渗材料就是膨润土，其具有良好的遇水膨胀性、阳离子交换性、吸附性等特性。故探讨膨润土对烟碱的吸附作用是研究其对烟碱的防渗能力的重要工作之一。

粘土矿物对水中污染物的吸附是化学物质分子被粘土颗粒表面束缚的物理化学过程,通常使用Freundlich等温线模型和Langmuir等温线模型来描述[3]，其中，前者是在总结前人学者们的经验基础上发展起来的，没有假设条件；后者的假设条件为：单层表面吸附、所有的吸附位均相同、被吸附的粒子完全独立。目前，这两种等温线模型对水中污染物的应用研究多集中于在利用单一模型对目标污染物的研究方面。

文中选择烟碱和钠基膨润土作为研究对象，研究烟碱在钠基膨润土原土上的吸附性能，同时从钠基膨润土的结构变化对吸附机理作了初步探讨。

2 实验部分

2.1 材料与仪器

所用土样为钠基膨润土；有机物为烟碱，HPLC≥98% 。

主要仪器有752N紫外可见分光光度计；SHA-C水浴恒温振荡器；TDL-4低速离心机；101-2A电热鼓风数显干燥箱；扫描电子显微镜。

2.2 试样制备

将所用土样在105～110 ℃进行烘干处理8 h，密封备用。烟碱标准储备液的配制，吸取烟碱5 μL至装5 mL水的50 mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至标线，再取上述溶液5～50 mL容量瓶中，再用蒸馏水稀释至标线，摇匀。此储备液含烟碱10.1 mg/L。

2.3 基本试验方法

在室温情况下，在6个50 mL三角瓶中按照一定的土液比加入不同浓度(25 mg/L、50 mg/L、75 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L、300 mg/L、350 mg/L)的溶液及0.5 g土样，放入恒温振荡器中进行恒温振荡24 h，后将试样放入离心机中，以3500 r/min的速率离心20 min，取上层清液，通过紫外可见分光光度计测得其在波长为260 nm下的吸光值，通过朗伯-比耳定律可得到浓度。根据得到的浓度与已知的初始浓度，可通过式(1)计算土颗粒对溶质的吸附量：

(1)

式(1)中，S0为土颗粒对溶质的吸附量(mg/g)；C0为溶液的初始浓度(mg/L)；Vsol为溶液的体积(L)；Ms为风干土样重量(g)。

此方法相对简单、快速，只考虑粘土颗粒的吸附作用，是测定吸附速率常数的有效办法，已广泛用于测定分配系数、研究吸附动力学等方面。文中的研究方法就是建立在Batch方法基础上进行的[4]。

3 结果与讨论

3.1 钠基膨润土结构表征

3.1.1 X-射线衍射分析

利用X-射线衍射测定层间距大小是分析膨润土层间复合离子的有效方法。在25 ℃和50%相对湿度下，采用X-射线衍射分析，测得土样数据分析部分如图1所示。

结果表明，其中蒙脱石的含量达到60%以上。原土的层间距为1.25 nm，有研究表明当有机物进入膨润土层间时，层间距会增大。且膨润土的层间距变化与层间离子及离子的排列方式有关。

图1 钠基膨润土X射线衍射图谱

3.1.2 扫描电子显微镜(SEM)观察

吸附剂颗粒外表面的孔隙直径大小对其吸附能力和吸附动力学、热力学行为均有较大的影响[3]。根据国际纯粹应用化学协会(IUPAC)的定义，孔径小于2 nm的称为微孔，其表面能远大于平整表面。文中试验所采用的粘土材料为钠基膨润土(Bentonite)，对土样及吸附试验后的土样进行电镜扫描，并取得土样Mag=10.00 KX下的结构(图2)。

图2 土样扫描电子显微镜照片

由图2可见，吸附前土样表面大多呈片状，集合体边部有卷曲及褶皱，在整个视域连续成片，边界不易辨认，个别挠曲及叠层处似乎能辨认边界；吸附后，土颗粒表面逐渐平整，且随着初始溶液浓度的增加，平整度也逐渐增加，连续性更好，比表面积增大，吸附能力也增强。故随着初始溶液浓度的增加，钠基膨润土的吸附能力也越强。

通常情况下，有机污染物在粘土矿物中的吸附机理主要包括矿物质的表面吸附和有机质的分配作用，由于试验所用土样为商业土样，有机含碳量低，故主要吸附机理为矿物质的表面吸附。

3.2 吸附平衡时间

按照上述的试验方法，在5 min、15 min、30 min、60 min、6 h、12 h、24 h及48 h时测定溶液中烟碱的浓度变化，以确定吸附反应的平衡时间。试验结果数据绘制如图3。

图3 烟碱在钠基膨润土上的吸附量与时间关系

结果表明，在室温条件下，钠基膨润土吸附烟碱溶液中烟碱成分的反应在24 h内可达到平衡且起始浓度越低，平衡时间越短。

3.3 等温吸附曲线

描述有机物在土壤中的吸附常用Frenudlich和Langmuir等温式，前者公式为：

S0=KfC1/n

(2)

式(2)中，S0为土样对有机物的吸附量(mg/g)；Kf为吸附系数，吸附系数Kf是一个反映土样吸附能力大小的量，是指达到吸附平衡时有机化合物被土样吸着的浓度与其在溶液中的浓度之比；C吸附平衡液相中有机物的浓度(mg/L)；1/n表示吸附的非线性程度。

Langmuir等温式为：

C/S0=C/B+1/(KB)

(3)

式(3)中，C为吸附平衡时液相中有机物的浓度(mg/L)，S0为土样对有机物的吸附量(mg/g),B为最大吸附量，K为吸附系数，根据试验数据，由(2)式计算得Kf==90.1276,1/n=1.3318，r=0.8688，由(3)式计算得1/KB=0.012,1/B=6.745×10-4，r=0.8461。可见，烟碱在土样中的吸附行为符合Frenudlich和Langmuir等温式，且前者计算出的系数略好于后者，说明前者更适合描述烟碱在土样中的吸附行为，故有S0=90.1276C1.3318，等温吸附曲线见图4。

图4 烟碱在钠基膨润土上的吸附曲线

4 结论

(1)随着初始溶液浓度的增加，钠基膨润土的吸附能力也越强；试验所用土样为商业土样，有机含碳量低，故主要吸附机理为矿物质的表面吸附。

(2)在室温条件下，钠基膨润土吸附烟碱溶液中烟碱成分的反应在24 h内可达到平衡且起始浓度越低，平衡时间越短。

(3)烟碱在钠基膨润土颗粒之间的吸附关系采用Freundlich吸附等温式模拟更为准确。