磁性膨潤土的制備及性能

胡立華

（廣東工業大學土木與交通工程學院廣東廣州510006）

磁性膨潤土的制備及性能

胡立華

（廣東工業大學土木與交通工程學院廣東廣州510006）

由于磁性膨潤土在外加磁場下可以實現處理廢水后的快速分離，采用化學共沉淀法制備磁性膨潤土，通過正交試驗來確定磁性膨潤土的最佳制備條件，并對其進行了紅外線吸收光譜、X射線衍射進行表征。研究了磁性膨潤土對于Zn2+、Cu2+的去除，確定了吸附Zn2+、Cu2+的最佳反應時間和最佳投藥量。實驗表明制備的磁性膨潤土吸附去除Zn2+、Cu2+的最佳反應時間分別是15min和15min。最佳投藥量分別是1.2g/L和1g/L，去除率分別是94.54%和86.57%。

磁性膨潤土；去除率；廢水處理

膨潤土的基本性能是由蒙脫石的特殊的結構性質所決定的。如吸附性、脫色性以及陽離子交換性等，所以廣泛用于各個工業領域。近年來，磁性載體技術在各個領域飛速發展。和傳統其他技術比，磁性載體技術克服了一些傳統分離手段的局限性。特別是磁性載體技術在治理廢水這方面的研究也越來越深入。Oliveira等制備出吸附重金屬離子的沸石磁性復合材料[1]。通過調研知，煉鋼廠附近水體中的Cu2+和Zn2+的濃度分別接近20mg/L和25mg/L。

1　實驗部分

1.1磁性膨潤土的制備

按Fe2+和Fe3+不同的摩爾比稱取一定量的FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O溶解于水中,加入適量膨潤土，攪拌均勻后，在超聲波清洗器超聲1h，在60℃、70℃、80℃恒溫磁力攪拌，在期間不間斷的滴加0.5mol/L的NaOH的溶液直到溶液pH=11，然后繼續磁力攪拌30min。于70℃的水浴內晶化1h、2h、4h，過濾并用去離子水洗漆產物至中性，70℃恒溫干燥箱干燥后研磨備用。

1.2正交試驗

1.2.1以重金屬Zn2+去除率為指標的正交試驗

稱取在不同條件下制備的樣品0.05g，分別加入9個盛有100mL，25mg/L的ZnSO4溶液的錐形瓶中，在恒溫振蕩器上，振蕩30min，過濾，取上清液，采用鋅試劑分光光度法測定上清液中鋅離子的濃度。

表1　去除Zn2+的正交試驗

通過正交試驗表計算知：

去除以Zn2+為目標污染物的制備條件的排列順序是：n（Fe2+）：n（Fe3+）＞反應溫度＞晶化時間＞土與鐵混合物的質量比。

從而得出了最佳的制備條件：n（Fe2+）：n（Fe3+）=1:2，反應溫度為80℃，晶化時間為2h，土和鐵混合物的質量比是1:2，從而制備了磁性膨潤土（B）。

1.2.2以重金屬Cu2+去除率為指標的正交試驗

稱取在不同條件下制備的樣品0.05g，分別加入9個盛有100mL，20mg/L的CuSO4溶液的的錐形瓶中，在恒溫振蕩器上，振蕩30min，過濾，取上清液，采用2，9-二甲基-1，10-菲啰分光度度測定上清液中銅離子的濃度。

表2　去除Cu2+的正交試驗

通過正交試驗表計算知：

去除以Cu2+為目標污染物的制備條件的排列順序是：n（Fe2+）：n（Fe3+）＞反應溫度＞晶化時間＞土與鐵混合物的質量比。

從而得出了最佳的制備條件：n（Fe2+）：n（Fe3+）=1:2，反應溫度為80℃，晶化時間為2h，土和鐵混合物的質量比是1:1，從而制備了磁性膨潤土（A）。

1.3樣品的測試

1.3.1XRD分析

圖1　原土和磁性膨潤土（A）和磁性膨潤土（B）的XRD圖

從圖2中，M代表蒙脫石，S代表石英，T代表四氧化三鐵。對比原土（A）和兩種不同配比的磁性膨潤土（B）和（C）可以看出，磁性膨潤土中保留了膨潤土的結構，說明采用化學共沉淀制備過程中，膨潤土固有的結構沒有被破壞。在（B）和（C）中，磁性膨潤土的XRD中在2θ為29.94°、35.88°和43.56°處的衍射峰，對應四氧化三鐵的特征衍射峰[2]。此外在20.92°、41.94°、59.88°處也出現了相對較弱的衍射峰。XRD圖中，沒有發現其他鐵的氧化物的特征峰，證明與膨潤土結合的是四氧化三鐵。

1.3.2紅外線分析

從圖3中可以看出：原土與磁性膨潤土（A）和磁性膨潤土（B）譜線的變化趨勢大致一樣。

在1637cm-1處的吸收峰歸因于水分子的彎曲振動兩條譜線都在1036cm-1附近存在強吸收峰是Si-O伸縮振動吸收峰，在624cm-1處的吸收峰對應的是成對的Si-0以及A1-0外層吸收峰。在521cm-1附近存在的吸收峰的為Al-0-Si的彎曲振動吸收峰，但與磁性膨潤土的FT-IR圖對比，可以發現：624cm-1處的吸收峰消失了。上述的種種結果，證明了氧化鐵顆粒和膨潤土顆粒之間可能形成氧化鐵/膨潤土共價鍵，此外，由圖知，合成的磁性膨潤土仍有著膨潤土的基本硅酸鹽骨架[3]。

圖2　原土與磁性膨潤土（A）和磁性膨潤土（B）的FT-IR圖

1.4磁性膨潤土對Cu2+和Zn2+的吸附實驗

1.4.1吸附Cu2+和Zn2+最佳投加量

稱取不同量的相對應的磁性膨潤土，用移液管分別量取100mL，20mg/L的含Cu2+的廢液和100mL，25mg/L的含Zn2+的廢液[4]。在恒溫振蕩器上攪拌，反應30min，用磁鐵將磁性膨潤土吸附在錐形瓶底部，然后取出清液分析Cu2+和Zn2+的含量[5-6]，變化曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出，在吸附Cu2+的變化曲線中，當投加量達到1g/L時，去除率是86.57%。當投加量達到1.2g/L時，去除率可以達到89.51%。不難看出當投加量達到1g/L后，去除率的變化不大。這主要是因為，隨著投藥量增大，其提供的吸，最后

達到1可以附位點的總量也變大，能夠吸附的Cu2+也多，當吸附飽和后趨于平衡。故最佳投加量為1g/L。

在吸附Zn2+的變化曲線中，當投加量.1g/L時，去除率是88.83%。當投加量達到1.2g/L時，去除率達到94.54%。當投加量達到1.3g/L時，去除率可以達到97.72%。可解釋為，隨著投藥量增加，其提供的吸附位點的總量變大，當吸附飽和后，趨于平衡。故最佳投加量是1.2g/L。

圖3　投加量的變化曲線

1.4.2去除Cu2+和Zn2+最佳反應時間

稱取相對應的磁性膨潤土，在二者的最佳投加量下，用移液管分別量取100mL，20mg/L的含Cu2+的廢液和100mL，25mg/L的含Zn2+的廢液。在恒溫振蕩器上攪拌，用磁鐵將磁性膨潤土吸附在錐形瓶底部，每5min取樣一次，然后取出清液分析Cu2+和Zn2+的含量變化曲線如圖4所示。

圖4　反應時間的變化曲線

從圖4中可以看出，吸附Cu2+和Zn2+反應，在反應15min后，去除率基本不變。故最佳反應時間確定為15min。因為反應時間太短，土與重金屬不能充分接觸，所以去除率較低，但隨著反應時間的增加，去除率也相應升高，但變化幅度不大。因為磁性膨潤土的量一定，其提供的吸附位點的總量是一定的，在一定的時間里，當這些吸附位點被占據后，吸附過程基本完成，即達到飽和，隨后不會隨著時間的變化而變化。

2　結語

2.1以鈉基膨潤土為原料,在FeCl2·4H2O、FeCl3·6H2O混合溶液中用NaOH調節負載鐵的氧化物及干燥等步驟,制備磁性膨潤土,表征分析可知膨潤土表面負載的是四氧化三鐵。

2.2通過Cu2+和Zn2+的吸附實驗，確定最佳反應時間分別是15min和15min，確定最佳投藥量分別是1.2g/L和1g/L。

2.3磁性膨潤土在水處理中，可以在外加磁場下，快速從水體中分離出來，解決了粉末狀的膨潤土不易分離的難題，且制備的工藝簡單。

[1]Oliveira C A，Rios R V，Fabris J D，et al.Clay-iron oxidemagnetic compositesfortheadsorptionof contaminantsinwater[J].Appl Clay Sci，2003，22（4）167-177.

[2]Hu J,Shao D D,Chen C L，et al.Plasma-induced grafting of cyclodextrinontomultiwall carbon nanotube/iron oxides for adsorbent application[J],Journal ofPhysical ChemistryB,2010,114:6779-6785.

[3]Eren E，Gumus H,Characterization of the structural properties and Pb(II)adsorptionbehaviorofironoxidecoatedsepiolite[J].Desalination，2011,273:276-284.

[4]郭燕妮，方增坤，胡杰華,等.化學沉淀法處理含重金屬廢水的研究進展.工業水處理,2011-12:9-12.

[5]鄒照華,何素芳,韓彩蕓,等.重金屬廢水處理技術研究進展.工業水處理,2010-5：9-12.

[6]石啟英,王書民,李凱斌,等.陰離子β-CD磁性微球吸附Zn2+影響因素的探討.工業水處理,2015-3：22-25.

廣東省教育部產學研項目（2012B090400030）。

胡立華，廣東工業大學在讀碩士。