多孔硅酸镁材料的制备及其吸附污水性能的研究*

赵 洁

（西安职业技术学院，陕西 西安 710071）

社会的不断快速发展，使得地球上的水资源不断地被消耗，同时生产排放的污水又对水资源造成一定的污染，致使人类的生活用水越来越稀缺[1,2]。废水中有机染料的污染具有分布广泛、成分复杂以及有机毒物的含量较高等特点[3,4]，成为研究者对其进行处理的首要问题，其采用的处理方法有化学絮凝法、化学氧化法、生物法以及吸附法。其中吸附法的应用，可使废水中的废弃物被处理，且不会生成新的化学污染物，具有投资小、成本低等特点，可以有效地解决二次污染的问题，其前景应用广泛[5,6]。文献[7]中采用改进的吸附方法，提出了更快速、更低成本的废水处理技术。文献[6]中，通过制备了吸附性的复合材料——镁硅酸盐水合物，并对亚甲基蓝的吸附量进行了研究，研究发现，复合材料表面的电荷在对亚甲基蓝的吸附过程中有着重大的作用。文献[8]采用简单的水热法以及煅烧法，以葡萄糖和金属盐为原材料制备了碳-氧化铝核-壳球的复合材料，同时研究了其材料的吸附性。研究表明，对废水中的二类燃料的吸附量达到了210mg·g-1。文献[9]制备了多孔的空心纳米硅酸盐材料，采用的是牺牲模板法。文献[10]利用Mg（NO3）2·6H2O 以及Na2SiO3·9H2O 作为原材料，并添加聚乙二醇作为活性剂。采用水热法制备纳米级别的硅酸镁复合材料。本实验采用Mg（NO3）2·6H2O 和Na2SiO3·9H2O分别作为镁源和钠源的来源，利用球磨法进行硅酸镁复合材料的制备，在制备复合材料的过程中，采用单一变量的方法，分别制备了不同球磨时长、不同球磨器料比（物料体积与球磨器容积比）以及不同物料比的条件下的复合材料，并研究了其对亚甲基蓝的吸附性。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

Mg（NO3）2·6H2O（AR 天津迪博化工有限公司）；Na2SiO3·9H2O（AR 河北东洋化工产品有限公司）；MgSO4（AR 嘉诚化工有限公司）；无水乙醇（AR 西陇科学股份有限公司）；乙二醇（工业级国药集团化学试剂）；亚甲基蓝（AR 天津永大化学有限公司）；去离子水（小于10-6S·cm-1自制）。

WOP-20 型水热反应釜（天津迪博化工有限公司）；FA2204B 型精密电子天平（上海精科天美仪器公司）；DHG-9070A 型电热恒温鼓风干燥箱（南通沪南有限公司）；GQM200 型氧化锆球磨罐（柳州益嘉化工）；DD6M 型离心机（天津华商化工集团）；Bruker alpha-T 型傅里叶红外光谱仪（天津永大化学有限公司）；UV-2600 型紫外分光光度计（上海华晨仪器有限公司）。

1.2 实验步骤

本实验采用单一变量的方法，通过不同的球研磨方法制备一系列的硅酸镁复合材料，并研究其性质。

1.2.1 制备研磨时间不同的硅酸镁材料 称取32.05g 的Mg（NO3）2·6H2O 和35.5g 的Na2SiO3·9H2O，置入500mL 的氧化锆球磨容器中，其中ZrO2的质量为135g，大中小型号的研磨球的质量比设置为3∶5∶2。调节研磨机的转速为250r·min-1，时间控制在2～24h 之间，充分反应后，进行分离的操作，分离物料和ZrO2，并将分离后的产物在烘干箱中进行长达12h 的烘干操作，烘干温度设定为60°C，这样就得到不同研磨时间的硅酸镁复合材料，用T 表示研磨时间，分别标记为：MSM-T2、MSM-T6、MSM-T8、MSMT12、MSM-T24。

1.2.2 制备不同球磨器料比的硅酸镁材料 称取15.38～76.38g 的Mg（NO3）2·6H2O 和1.05～85.26g 的Na2SiO3·9H2O，置入500mL 的氧化锆球磨容器中，其中ZrO2的质量为160～210g，大中小型号的研磨球的质量比设置为3∶5∶2。调节研磨机的转速为250r·min-1，时间控制在6h，充分反应后，进行分离的操作，分离物料和ZrO2，并将分离后的产物在烘干箱中进行长达12h 的烘干操作，烘干温度设定为60℃，这样就得到不同球磨器料比的硅酸镁复合材料，用V 表示物料体积与研磨器容量比，分别标记为：MSM-V5、MSM-V10、MSM-V20。

1.2.3 制备不同物料比的硅酸镁材料 称取32.05g的Mg（NO3）2·6H2O 和28.4～62.2g 的Na2SiO3·9H2O，置入500mL 的氧化锆球磨容器中，其中ZrO2的质量为120～185g，大中小型号的研磨球的质量比设置为3∶5∶2。调节研磨机的转速为250r·min-1，时间控制在6h，充分反应后，进行分离的操作，分离物料和ZrO2，并将分离后的产物在烘干箱中进行长达12h 的烘干操作，烘干温度设定为60°C，这样就得到不同物料比的硅酸镁复合材料，用M 表示硅和镁的物料比，分别标记为：MSM-M0.8、MSM-M1、MSM-M1.25、MSMM1.75。

1.3 多孔硅酸镁材料的表征

1.3.1 表面官能团表征 多孔硅酸镁材料的表面官能团的表征采用傅里叶红外光谱仪。其测量范围是400～4000cm-1，分辨率为2cm-1。在进行测试之前，我们需要对材料进行加工，即用KBr 材料和实验样品按照100∶1 的质量比进行充分混合，然后压制成片状。

1.3.2 吸附性能表征 复合材料的吸附性能用吸附亚甲基蓝溶液作为指标。将吸附亚甲基蓝后的溶液先进行过滤，并稀释，随后利用UV-2600 的紫外线分光光度计对溶液进行吸光度的测试，主要吸收波长为664nm，根据溶液浓度的大小及吸光度之间的线性关系计算实际吸附亚甲基蓝溶液的实际浓度。

2 结果与讨论

2.1 研磨时间对复合材料的影响

图1 为样品FT-IR 图及亚甲基蓝吸附量的曲线图。

图1 研磨时间对样品的影响结果曲线图Fig.1 Effect curve of grinding time on the sample

由图1a 中可以观察到，硅氧键和镁氧键分别在1030 和460cm-1处出现了吸收峰，表明选用的研磨方法制备的复合材料具有较高的纯度。样品在不同研磨时间的条件下，由图1b 可以观察到，曲线随着时间的推移呈现递增的趋势，但增长速率不断变缓。当吸附时间在120min 时，达到了一个最高值的状态，因此，研磨时间的确定，对实验结果有一定的影响，通过本实验的数据观察，研磨时间以6h 为最佳。

2.2 球磨器料比例对复合材料的影响

本实验通过由不同物料质量制备硅酸镁的复合材料中，得到的复合材料的FT-IR 曲线图，见图2a。

由图2a 可以观察到，硅氧键以及镁氧键分别在1030 和460cm-1处有吸收峰的出现，表明研磨制备的硅酸镁复合材料具有较高的纯度。

图2b 为不同的物料加入到不同的样本中制备成不同的硅酸镁复合材料，其对亚甲基蓝的吸附量曲线图。

由图2b 可以观察到，其曲线呈现递增的趋势，但增长率呈现下降的趋势，在120min 时，达到最大的吸附量。选择合适的球磨器料对硅酸镁的研制有很大的影响。根据本实验结果，选取球磨器料比为10，即物料体积占研磨器体积的十分之一为最佳值。

图2 球磨器料比对样品的影响结果曲线图Fig.2 Curve of the effect of the material ratio of the ball mill on the sample

2.3 不同物料比对复合材料的影响

本实验研究在不同物料比分别为1.75∶1、1.25∶1、1∶1、0.8∶1 的情况下，对制备的材料性能影响的研究，图3a 为不同的物料比值的情况下，制备的材料的FT-IR 谱图。图3b 是对亚甲基蓝的吸附量的测试曲线图。

图3 不同物料比对样品的影响结果曲线图Fig.3 Curves of the effect of different material ratios on samples

由图3a 可以看出，硅氧键以及镁氧键分别在1030 以及460cm-1处出现了吸收峰，表明制备的复合材料的纯度较高，并且不同配比物料的情况下不会生成新的化学产物以及改变产物的化学式。

由图3b 可知，曲线呈现上升的趋势，但是增长速率逐渐变缓，在时间为120min 时，吸附量达到了最高值，因此，在制备复合材料时，Na2SiO3·9H2O 和Mg（NO3）2·6H2O 的物料比在1.25∶1 的情况下，会制备出高吸附性的复合材料。

3 结论

本论文采用Mg（NO3）2·6H2O 和Na2SiO3·9H2O分别作为镁和钠的来源，利用球磨法制备多孔的硅酸镁吸附复合材料，并采用单一变量的方法，分别制备了不同球磨时长、不同球磨器料比以及不同的物料比的条件下的复合材料，并研究了其对亚甲基蓝的吸附性，研究表明，物料比在1.25∶1、球磨时长6h以及物料容积占球磨器总容积的十分之一的条件下，制备的硅酸镁材料的性能最佳，其对亚甲基蓝的吸附量最大，此研究为今后的研究奠定了坚实的基础。