累托石復合顆粒的制備及其吸附性能研究

2011-06-12 06:08:08程傳麟夏天明明銀安王營茹

武漢工程大學學報 2011年9期

程傳麟，夏天明，秦芳，明銀安，王營茹

(武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北武漢 430074)

0 引言

累托石是二八面體云母和二八面體蒙皂石組成的1∶1規則間層礦物，對廢水中的污染物具有較好的吸附性能[1].但是粉末狀累托石在吸附處理廢水后，易溶脹形成分散懸浮的泥漿，沉降性能較差，導致后續固液分離十分困難，形成更難處理的不能再次循環利用的二次污泥，造成對資源的浪費.為解決上述問題，有研究者使用粘結劑將粉末制備成顆粒，以利于處理后固液分離.常用的粘結劑有PVA[2]、淀粉、高粘度瓊脂、高嶺土等等.葉建東等人[3]做了以淀粉為粘結劑，固化陶瓷粉末的研究，研究表明：淀粉溶膠具有很好的成型功能，可以制備孔隙率達到70%的多孔陶瓷材料；王彥斌等人[4]通過研究淀粉氧化程度對淀粉耐水性的影響，進一步提出對氧化淀粉改性的辦法，使氧化淀粉粘合劑在粘結性、流動性方面有較大的改善.孫家壽等[5]以PVA為粘結劑，累托石為載體，包埋微生物制備的生物累托石內部呈蜂窩狀，有大量孔洞，吸附效果很好.所以，本試驗采用PVA為粘結劑，SA為穩定劑，在硼酸中滴定交聯固化成球制備累托石復合顆粒.

1 試驗部分

1.1 試驗材料、藥品

試驗用累托石粉末購自湖北名流累托石科技有限責任公司，過0.074 mm(200目)篩后備用；亞甲基藍(CP)，中國醫藥集團上海化學試劑公司；聚乙烯醇(PVA，CP)，國藥集團試劑有限公司；海藻酸鈉(SA，CP)，國藥集團試劑有限公司；硼酸(AR)，天津博迪化工有限公司；無水氯化鈣(AR)，天津博迪化工有限公司；己二胺(AR)，國藥集團試劑有限公司.

1.2 主要試驗儀器、設備

水浴恒溫振蕩器，上海躍進醫療器械廠；TGL-16G離心機，上海安亭科學儀器廠；DHG-9075A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司；722E可見分光光度計，天津市普瑞斯儀器有限公司；DK-98-11A電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司.

1.3 試驗方法

1.3.1 累托石復合顆粒的制備

稱取一定量PVA在50 ℃的恒溫水浴中溶脹30 min[6]，然后在95 ℃的恒溫水浴中攪拌直至PVA完全溶解，冷卻至室溫后加入少許SA，50 ℃恒溫攪拌直至完全溶解到澄清透明.另取一定量累托石，加入適量水攪拌至糊狀，加至PVA、SA混合溶液中，攪拌均勻[7].用10 mL注射器將其滴加到含2%氯化鈣的飽和硼酸溶液中(交聯劑)，交聯固化成球.固化一定時間后，將復合顆粒置于己二胺溶液中硬化1 h，以提高累托石復合顆粒的機械強度.過程如圖1所示.

圖1 累托石復合顆粒的制備流程圖

1.3.2 亞甲基藍吸附試驗

準確稱取0.50 g累托石復合顆粒，置于裝有200 mL亞甲基藍溶液的平底燒瓶中，于水浴恒溫振蕩器中恒溫振蕩.

1.4 分析方法

亞甲基藍濃度用722型可見分光光度計于665 nm處測定.

2 結果與討論

2.1 累托石復合顆粒制備條件的確定

初始質量濃度100 mg/L，吸附亞甲基藍溶液的體積為200 mL；脫色率=(初始量-吸附量)/初始量.

2.1.1 累托石與PVA質量比對累托石復合顆粒吸附性能的影響 SA投加量0.03 g，氯化鈣在硼酸中質量分數2%，硼酸中浸泡時間28 h，5%己二胺溶液中浸泡1 h.PVA用量對累托石復合顆粒吸附性能的影響如圖2所示.

圖2 PVA用量對復合顆粒吸附性能的影響

PVA在復合顆粒制備過程中起粘結作用，試驗過程中，PVA/累托石質量比為2∶9、3∶9時，粘結劑用量太少，不能成粒.由圖2可見，PVA/累托石質量比過高過低時都影響復合顆粒的吸附性能，在PVA/累托石質量比在6∶9時，復合顆粒對亞甲基藍的吸附性能最好.PVA用量增加，固然可以增加累托石復合顆粒的機械強度，但會降低顆粒的吸附性能.若PVA用量過小，則在造粒時粘結性較低，浸泡時會出現邊緣糊化，后續吸附過程中會出現震蕩破碎的現象，影響吸附效果.

2.1.2 SA用量對復合顆粒吸附性能的影響稱取累托石3 g，PVA 2 g，硼酸中氯化鈣質量分數2%，5%己二胺溶液中浸泡1 h，硼酸溶液中交聯28 h的條件下，SA用量對累托石復合顆粒吸附性能的影響如圖3所示.

圖3 SA添加量對顆粒吸附性能的影響

造粒時添加SA的作用主要是便于顆粒成型，造粒方便，防止顆粒之間粘連.圖中曲線表明，SA用量的多少對累托石的空間結構及其吸附性能影響不大，綜合考慮選擇SA的添加量每3 g累托石為0.03 g.

2.1.3 硼酸中交聯時間對復合顆粒吸附性能的影響在累托石添加量3 g，PVA添加量2 g，SA添加量0.03 g,硼酸中氯化鈣質量分數2%，交聯28 h的條件下，交聯時間對復合顆粒吸附性能的影響如圖4所示.

圖4 硼酸中交聯時間對復合顆粒吸附性能的影響

由圖4可見，交聯時間為4 h時，制備得到的累托石復合顆粒對亞甲基藍的吸附性能最好，并且在造粒過程中容易成球，顆粒的機械強度較高，在振蕩吸附過程中不容易破碎.交聯時間過長，使得累托石顆粒交聯過于緊密，孔隙減小，吸附性能下降.

2.1.4 復合顆粒粒徑大小對其吸附性能的影響稱取累托石3 g，PVA 2 g，硼酸溶液中氯化鈣質量分數2%，5%己二胺溶液中表面硬化1 h，硼酸中交聯4 h的條件下，不同粒徑對復合顆粒活性的影響如圖5所示.

圖5 粒徑大小對復合顆粒吸附性能的影響

由圖5可見，復合顆粒的吸附性能與其粒徑大小成反比關系.粒徑越大，吸附性能越差；粒徑越小，顆粒的相對比表面積越大，對亞甲基藍的吸附能力越強.粒徑為3 mm的累托石顆粒吸附效果已經很好且在造粒方面大大優于粒徑為2 mm的累托石顆粒，同時為便于后續填充柱的實驗故不選取粒徑為2 mm；較粒徑2 mm累托石顆粒4 mm的吸附效果降低太多(脫色率不到50%)，并且3 mm粒徑的較好造粒，4 mm粒徑的累托石在造粒上沒有多大優點，綜上所述故選擇粒徑3 mm為最佳粒徑.

2.2 累托石粉末和復合顆粒的吸附動力學研究

累托石粉末和復合顆粒對亞甲基藍的吸附效果見圖6.由圖可見，累托石粉末和顆粒對亞甲基藍的吸附效果均隨著時間的延長而增加，粉末于50 min后達到吸附平衡，復合顆粒需120 h吸附才能趨于平衡(復合顆粒吸附很難達到平衡)，且造粒后吸附量下降.

圖6 累托石粉末和復合顆粒對亞甲基藍的吸附曲線

使用準二級吸附動力學模型進行擬合，模型為：t/qt=1/kqe2+t/qe；式中：t為反應時間，min；qt為t時刻的吸附量，mg/g；qe為吸附平衡的吸附量；k為二級吸附速率常數，g/(kg·min).擬合后發現擬二級吸附模型的相關系數R2較高，說明準二級模型能夠很好地反應本試驗中累托石對亞甲基藍的吸附過程.相關系數分別為：0.993 3、0.999 7(圖7圖8).