以底泥、粘土和鹅掌楸为原料制作新型陶粒的吸附特性研究

王祝来，曾晨淅，徐文清

(1.南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037；2.教育部浅水湖泊综合治理与资源开发重点实验室，江苏 南京 210098)

吸附法的特点是效率高，操作简单，可重复使用。污水中的杂质包括重金属、有机物和有毒物质，可以用不同的吸附剂去除，如蒙脱土[1]、活性炭[2-4]、陶粒等[5]。湖底淤泥中的重金属和有毒物质可能会泄漏到外部环境，尤其是地下水中。鹅掌楸落叶凋零，覆盖在地面上，会造成一定的环境问题。 前人对鹅掌楸进行了多个方面的研究[6-8]。

本研究旨在进行一种由湖底淤泥、粘土和鹅掌楸制成新型陶粒的吸附特性研究。陶粒的吸附特性主要考察了陶粒对亚甲基蓝的吸附效果，其中包括初始浓度、吸附时间和添加质量的影响。本研究既解决了底泥、鹅掌楸对环境造成的影响问题，又为陶粒原料的选择提供了新的途径。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

本研究制备陶粒的原料包括底泥、粘土和鹅掌楸。 底泥来自于南京玄武湖，是在压滤机脱水后形成的污泥。粘土和鹅掌楸取自南京林业大学校园内，鹅掌楸是从鹅掌楸树上掉下来的落叶，而粘土来自于校内工地上，塑性指数>17。

上述底泥和粘土的化学成分见表1。

表1 原材料底泥和粘土的化学成分及分析Table 1 Chemical compositions of raw materials analyses

有机物是鹅掌楸的主要化学成分，包括纤维素、多糖和蛋白质。 原料在加热炉中加热到105 ℃放置2 h，然后用TYSP-200高速粉碎机研磨到100目以下。 本研究中底泥∶粘土∶鹅掌楸的质量比见表 2，这一比率的陶粒类型定义为TLA。

表2 样本含量和质量比Table 2 Sample contents and ratios

V-Sorb2800比表面积分析仪;INCA250EDS电子能谱仪;UV752分光光度计;SX2-12-10室内电炉;TYSP-200高速粉碎机。

1.2 方法

1.2.1 陶粒的生产 根据表2中的样品含量和质量比，将3种原料完全混合并加入一些适量的水，然后手工搓成直径为6～8 mm的陶粒。 最后，将上面制作的陶粒在室温20 ℃左右保存2 d。

1.2.2 陶粒的预热和烧结 预热和烧结的温度及持续时间见表3。

表3 陶粒的预热和烧结温度及持续时间Table 3 Preheating and sintering temperatures and duration of ceramsite

陶粒在室内电炉加热，每次预热和烧结温度为10 ℃/min。 因为考虑到不同预热和烧结温度以及持续时间的不同，把陶粒分成6组，编号分别是1,2,3,4,5,6。

1.2.3 检测方法 利用V-Sorb2800比表面积分析仪测定陶粒的比表面积。采用INCA250EDS电子能谱仪对底泥和粘土的化学成分进行分析。 用UV752分光光度计测试陶粒吸附的亚甲基蓝浓度。 吸附容量和速率的计算公式如下：

(1)

(2)

2 结果与讨论

2.1 优选最佳陶粒

为了优选出最佳的陶粒，即比表面积最大陶粒，依据表3进行实验，结果见图1。

图1 预热和烧结参数对比表面积的影响Fig.1 Effect of preheating and sintering parameters on specific surface area

由图1可知，随着陶粒种类数量的增加，比表面积先增大后开始减小。 由于陶粒的型号为2号时，即预热和烧结温度和持续时间为，预热：300 ℃，20 min，烧结：750 ℃，20 min，此时陶粒比表面积最大。 由图还可知，从4号陶粒到5号陶粒过程中，陶粒比表面积急剧下降，最终达到最小约1 m2/g。 出现上述现象的原因解释是，陶粒的比表面积随陶粒的预热和烧结温度的变化而变化。 在开始阶段，随着预热和烧结温度和时间的持续升高，由于水的挥发和有机物的燃烧，陶粒的内部孔隙越来越小，导致比表面积的增加。 之后随着预热和烧结温度和持续时间的继续增加，在预热温度和烧结温度分别为，500 ℃，20 min和950 ℃，20 min时，陶粒内部孔隙开始融化，小孔隙形成较大的孔隙，使比表面积最小。

2.2 吸附时间对吸附容量和吸附速率的影响

为了考察吸附时间对吸附容量和吸附速率的影响，在以下的条件下进行了实验，亚甲基蓝初始浓度6 mg/L，质量分别为1，3，5 g，吸附时间分别为1，3，5，7，9，11 min，结果见图2、图3。

图2 吸附时间对吸附量的影响Fig.2 Effect of adsorption time on adsorption capacity

图3 吸附时间对吸附速率的影响Fig.3 Effect of adsorption time on adsorption rate

随着吸附时间的增加，吸附容量和速率都逐渐上升，由图2和图3可知，陶粒质量在1～5 g之间的变化，吸附容量减小，吸附速率增大。 在图2中，随着吸附时间的增加，陶粒1 g的吸附量远大于3 g和5 g，而3 g和5 g吸附量几乎相同。 在图3中，当吸附时间为1 min时，吸附速率差异不显著；当陶粒质量为1 g时，吸附速率曲线急剧增大，而质量为3 g和5 g时，吸附速率的增量相对较小。 出现以上现象的原因是，由图2可知，初始浓度1，3，5 g均为6 mg/L，吸附容量的单位为mg/g，即陶粒质量为1 g时可吸附亚甲基蓝质量大于3 g和5 g。随着吸附时间的延长，亚甲基蓝被充分吸附，陶粒的内孔被亚甲基蓝覆盖，吸附容量逐渐上升。 在图3中，吸附速率为吸附质量与亚甲基蓝原质量的比值，陶粒的质量越大，亚甲基蓝的吸附量越大。 同时，随着吸附时间的延长，亚甲基蓝的吸附质量稳步提高。

2.3 初始浓度对吸附容量和吸附速率的影响

为了评价初始浓度对吸附容量和速率的影响，在一定条件下进行实验，即吸附时间7 min，陶粒质量分别为1，3，5 g，亚甲基蓝的初始浓度分别2，4，6，8，10，12 mg/L， 结果见图4、图5。

由图4可知，随着初始浓度的增加，3种质量的陶粒1，3，5 g的吸附量均增加，但随着陶粒质量从1 g 到5 g的增加时，吸附量呈下降趋势。 此外，当陶粒质量为1 g时，吸附量急剧增加。 当初始浓度为2 mg/L时不同质量间吸附量无显著差异。

图4 初始浓度对吸附量的影响Fig.4 Effect of initial concentration on adsorption capacity

图5 初始浓度对吸附速率的影响Fig.5 Effect of initial concentration on adsorption rate

图5变化与图4基本相同， 随着初始浓度的增加，3种质量的陶粒1，3，5 g的吸附速率也随之增加， 且随着陶粒质量在1～5 g之间增加，吸附速率稳步提高。 当初始浓度为2 mg/L时，3种质量之间的吸附能力的差异比初始浓度为12 mg/L更大。 出现以上现象的原因是，当初始浓度较低时，亚甲基蓝的吸附质量较少，而当初始浓度较高时，亚甲基蓝被充分吸附，从而导致吸附容量的增加。 陶粒质量1 g时对亚甲基蓝的吸附质量大于5 g时。 图5中，由于陶粒的质量较大，在陶粒中有较大的比表面积吸附亚甲基蓝。图4中也是如此，随着初始浓度的增加，亚甲基蓝的吸附质量大于低初始浓度。

2.4 陶粒质量对吸附量和吸附速率的影响

为了考察陶粒质量对吸附量和速率的影响，在以下条件下进行实验，这些条件包括初始浓度6 mg/L， 吸附时间1，5，9 min，陶粒质量分别为1，2，3，4，5 g，结果见图6、图7。

由图6、图7可知，随着陶粒质量的增加，吸附量逐渐减小，吸附速率逐渐增大。 当陶粒的质量为1 g， 吸附容量和速率均无显著差异。 随着吸附时间的变化，从1～9 min时，吸附量和速率都呈上升趋势。 当吸附时间分别为5，9 min时，吸附速率急剧增加。出现以上现象的原因是，在图6中，3种溶液初始浓度均为6 mg/g，随着陶粒质量的增加，当陶粒质量为5 g时，亚甲基蓝的吸附质量最小，即陶粒的质量越大，每g陶粒吸附的亚甲基蓝越少。随着吸附时间的延长，陶粒内孔比表面积得到充分利用。当陶粒的质量为1 g时，无论吸附时间如何变化，可吸附比表面积均小于5 g。随着吸附时间延长至9 min，亚甲基蓝的总吸附质量增加，导致吸附率上升。

图6 陶粒质量对吸附量的影响Fig.6 Effect of ceramsite mass on adsorption capacity

图7 陶粒质量对吸附速率的影响Fig.7 Effect of ceramsite mass on adsorption rate

2.5 正交实验结果

正交实验选择L9(34)作为正交表，在下列条件下进行实验，包括初始浓度2，6，10 mg/L，陶粒的质量为1，3，5 g，吸附时间为1，5，9 min。 正交实验方案及结果见表4。

R的值反映了影响因素的主次顺序，水平的最大值显示了运行条件的组合。 由表4可知R1的顺序，分别为0.085 2>0.055 3>0.048 8，最重要的因素是初始浓度，最不重要的因素是吸附时间。 运行条件的最优组合是陶粒的质量为1 g，初始浓度为10 mg/L吸附时间为9 min。R2的顺序为12.07>11.81>6.47，最重要的因素是陶粒的质量，最不重要的因素是初始浓度。运行条件的组合是陶粒的质量为5 g，初始浓度为10 mg/L，吸附时间为9 min。当影响因素水平分别为初始浓度10 mg/L和吸附时间9 min时，其最佳运行条件组合是相同的。同时，R1和R2的主次顺序完全不同，R值的选择依据评价指标，即吸附容量和吸附速率的变化而变化。

表4 正交实验的方案和结果Table 4 Scheme and results of orthogonal experiment

3 结论

以底泥、粘土和鹅掌楸为原料制作陶粒，并进行了其吸附特性研究，具体结论如下：

(1)选择2号陶粒作为本研究中使用的最佳陶粒，因其比表面积最大。

(2)随着吸附时间和初始浓度的增加，吸附容量和速率逐渐增大。随着陶粒质量的加大，吸附容量下降且吸附速率增加。3种因素下的吸附容量和吸附速率的大小与陶粒的比表面积和亚甲基蓝吸附是否充分有关。

(3)初始浓度10 mg/L和吸附时间9 min，其最佳运行条件组合是相同的。R1和R2的主次顺序完全不同，评价指标的变化决定了R值的选择。