天然沸石對染料的吸附研究

徐 明，陽檸燦，邱木清

(1.浙江德創(chuàng)環(huán)保科技股份有限公司，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

1 引言

染料工業(yè)產(chǎn)生的廢水對我國的水環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。這些染料廢水成分復(fù)雜、濃度高、顏色深、難降解物質(zhì)多且含有多種具有生物毒性的有機物，因此該類廢水難以采用常規(guī)處理方法有效經(jīng)濟地進行治理。含染料廢水進入水體后，即使在濃度很低時，也能嚴(yán)重影響視覺效果，而且能吸附和反射進入水體中的陽光，妨礙細菌生長和干擾水中生物的光合作用，最終導(dǎo)致水體生態(tài)系統(tǒng)的破壞。因此，染料工業(yè)廢水的綜合治理問題已經(jīng)成為當(dāng)今國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)界急需解決的一大難題[1～4]。

沸石可分為天然沸石和人工合成沸石兩大類。人工合成沸石主要用作催化劑，其應(yīng)用研究已經(jīng)較為深入。天然沸石是1756 年瑞典礦物學(xué)家A F Cronsted 首先發(fā)現(xiàn)的，因其具有優(yōu)于合成沸石的熱穩(wěn)定性、耐酸性、耐輻射性，以及成本低、儲量大等特點，已成為當(dāng)今世界各國極為重視的新興礦產(chǎn)資源，并越來越受重視。

我國是一個天然沸石資源豐富的國家。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的天然沸石產(chǎn)地主要分布在我國21個省市、自治區(qū)，共有沸石巖石產(chǎn)地150 多處。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前沸石年產(chǎn)量在800萬t左右。沸石是沸石族礦物的總稱，在地殼中分布廣泛，是一種含水的堿金屬或堿土金屬的架狀結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的天然沸石約40 多種，常見的有：斜發(fā)沸石、毛沸石、絲光沸石、輝沸石、片沸石和菱沸石等。其內(nèi)部含有許多孔穴和通道，沸石具有巨大的比表面積(400～800 m2/g)，且沸石構(gòu)架上的平衡陽離子與構(gòu)架結(jié)合得不緊密，極易與水溶液中的陽離子發(fā)生交換作用，因而沸石具有良好的吸附、交換性能。目前天然沸石在水和廢水處理中具有廣泛應(yīng)用前景[5～9]。

本文為了探討天然沸石對染料的吸附行為，對溶液的pH值、吸附時間、吸附劑用量、染料的濃度等影響吸附的因素進行了研究，最終獲得其對染料的吸附等溫線等。

2 材料和方法

2.1 材料

天然沸石：為浙江麗水的天然斜發(fā)沸石，粒徑0.5～1.0 mm，主要礦物成分為：斜發(fā)沸石48%、石英31%、長石8%、伊利石4%、蒙脫石3%，其化學(xué)組成如表1所示。染料：氨基黑10B、藏紅T和酸性紫紅，它們的分子結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2和圖3所示。

表1 天然沸石的化學(xué)組成

圖1 氨基黑10B的分子結(jié)構(gòu)

圖2 藏紅T的分子結(jié)構(gòu)

圖3 酸性紫紅的分子結(jié)構(gòu)

2.2 方法

采用靜態(tài)吸附法進行實驗，取一定量的天然沸石于150 mL的錐型瓶中，分別加入一定濃度的染料溶液，靜止放置在20 ℃的恒溫震蕩箱中一段時間后，取上清液測定染料的含量。

2.3 測定

培養(yǎng)液pH值的測定[10]：采用酸度計進行測定。

氨基黑10B、酸性紫紅和藏紅T濃度的測定：采用分光光度法，取上清液分別在波長為618 nm、540 nm和514 nm測定其吸光度。

沸石吸附染料的脫色率按如下公式計算[7]：

(1)

式(1)中：Q為染料的脫色率，%；C0為染料的初始含量，mg/L；Ce為吸附平衡時溶液的染料的含量，mg/L。

沸石吸附染料的吸附容量按如下公式計算[7]：

(2)

式(2)中：qe為吸附容量，mg/g；V為溶液體積，mL；C0為染料的初始含量，mg/L；Ce為吸附平衡時溶液的染料的含量，mg/L；m為沸石的用量，g。

3 結(jié)果與討論

3.1 天然沸石用量對脫色率的影響

為比較不同的天然沸石用量對染料脫色率的影響，分別加入100 mL染料(氨基黑10B、酸性紫紅和藏紅T)，濃度均為8 mg/L于150 mL的錐型瓶中，用NaOH(1+1)或H2SO4(1+1)調(diào)節(jié)溶液pH值為7.0，并且加入不同量的天然沸石，靜止放置在20 ℃的恒溫震蕩箱中24 h進行吸附實驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 天然沸石用量對脫色率的影響

由圖4中可以看出，對于實驗所選用的3種染料，天然沸石對染料藏紅T的吸附效果最好，且天然沸石用量對3種染料的脫色率的影響均出現(xiàn)一致的現(xiàn)象，即并不是天然沸石用量越多越好，當(dāng)天然沸石用量為80 g/L時脫色效果最好，大于該值時脫色率開始降低，這是由于產(chǎn)生了解附現(xiàn)象所導(dǎo)致。當(dāng)天然沸石用量為80g/L時，天然沸石對染料脫色效果最佳，色度脫色率分別為16%、65%和81.2%。

3.2 吸附時間對脫色率的影響

為了探討吸附時間對脫色率的影響，進行了如下實驗：分別加入100 mL染料(氨基黑10B、酸性紫紅和藏紅T)濃度均為8 mg/L于150 mL的錐型瓶中，用NaOH(1+1)或H2SO4(1+1)調(diào)節(jié)溶液pH為7.0，并且分別加入80 g/L天然沸石，靜止放置在20 ℃的恒溫震蕩箱中進行吸附實驗，測定了吸附時間與脫色率的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 吸附時間對脫色率的影響

結(jié)果表明：在靜態(tài)吸附的實驗條件下，在吸附時間為6 h之前，天然沸石對3種染料的脫色速率較快。在吸附6 h時，天然沸石對三種染料的脫色率分別為16%、62%和78.4%，吸附時間超過6 h，脫色率增加的很緩慢且基本恒定，因此綜合考慮各方面的原因，可選擇吸附時間為6 h為最佳值。

3.3 pH值對脫色率的影響

為了探討酸度對脫色率的影響，進行了pH值對脫色率的影響實驗，即：分別加入100 mL染料(氨基黑10B、酸性紫紅和藏紅T)濃度均為8 mg/L于150 mL的錐型瓶中，用NaOH(1+1)或H2SO4(1+1)調(diào)節(jié)溶液pH值依次為2.0、4.0、7.0、9.0、11.0，并且加入80 g/L天然沸石，靜止放置在20 ℃的恒溫震蕩箱中6 h進行吸附實驗，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 pH值對脫色率的影響

從圖6中可以看出，溶液的pH值對于天然沸石吸附染料有著明顯地影響。隨著pH值的增加，天然沸石對染料藏紅T的脫色率逐漸增加，也就是說，在堿性條件下的脫色率明顯高于酸性條件下的脫色率。另外，天然沸石對染料酸性紫紅的脫色率在堿性條件下脫色率較高，但在pH值為9.0弱堿性條件下脫色率最高。然而，天然沸石對染料氨基黑10B的吸附卻不同于以上現(xiàn)象，也就是說，在酸性條件下將有利于天然沸石吸附染料氨基黑10B。

天然沸石對有機污染物質(zhì)的吸附主要是依靠靜電吸附作用來實現(xiàn)的[11，12]。對于陰離子染料，在堿性條件下，天然沸石對該類染料吸附容量較低的主要原因可能是由于大量的OH-離子的存在，該OH-離子會與染料離子產(chǎn)生競爭所導(dǎo)致。隨著溶液堿性的逐漸增加，溶液中的OH-離子也逐漸增加，從而增強了OH-離子與天然沸石吸附能力，因此導(dǎo)致染料離子與天然沸石吸附能力的減弱[13]。

3.4 染料濃度對脫色率的影響

染料濃度對脫色率的影響實驗按如下實驗進行，即：在150 mL的錐型瓶中，加入80 g/L天然沸石，用NaOH(1+1)或H2SO4(1+1)調(diào)節(jié)溶液pH值為7.0，分別加入100 mL染料(氨基黑10B、酸性紫紅和藏紅T)，染料濃度依次為4 mg/L、8 mg/L、12 mg/L、16 mg/L、20 mg/L、24 mg/L、28 mg/L、32 mg/L和36 mg/L，靜止放置在20 ℃的恒溫震蕩箱中6 h進行吸附實驗，實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 染料起始濃度對脫色率的影響

從圖7中可以看出，隨著染料起始濃度的增加，天然沸石對三種染料的脫色率均呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。根據(jù)圖7中的數(shù)據(jù)，可以進行天然沸石吸附染料的吸附等溫線的分析。

4 結(jié)論

通過以上試驗，可以得到天然沸石對染料藏紅T、酸性紫紅和氨基黑10B的吸附受到溶液的酸度、沸石用量、吸附時間、染料起始濃度等因素的影響。