天然沸石對染料的吸附研究

徐 明，陽檸燦，邱木清

(1.浙江德創環保科技股份有限公司，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學院 生命科學學院，浙江 紹興 312000)

1 引言

染料工業產生的廢水對我國的水環境造成了嚴重的污染。這些染料廢水成分復雜、濃度高、顏色深、難降解物質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處理方法有效經濟地進行治理。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，最終導致水體生態系統的破壞。因此，染料工業廢水的綜合治理問題已經成為當今國內外環境科學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，其應用研究已經較為深入。天然沸石是1756 年瑞典礦物學家A F Cronsted 首先發現的，因其具有優于合成沸石的熱穩定性、耐酸性、耐輻射性，以及成本低、儲量大等特點，已成為當今世界各國極為重視的新興礦產資源，并越來越受重視。

我國是一個天然沸石資源豐富的國家。現已發現的天然沸石產地主要分布在我國21個省市、自治區，共有沸石巖石產地150 多處。據不完全統計，目前沸石年產量在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構的硅鋁酸鹽。現已發現的天然沸石約40 多種，常見的有：斜發沸石、毛沸石、絲光沸石、輝沸石、片沸石和菱沸石等。其內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)，且沸石構架上的平衡陽離子與構架結合得不緊密，極易與水溶液中的陽離子發生交換作用，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沸石，粒徑0.5～1.0 mm，主要礦物成分為：斜發沸石48%、石英31%、長石8%、伊利石4%、蒙脫石3%，其化學組成如表1所示。染料：氨基黑10B、藏紅T和酸性紫紅，它們的分子結構圖如圖1、圖2和圖3所示。

表1 天然沸石的化學組成

圖1 氨基黑10B的分子結構

圖2 藏紅T的分子結構

圖3 酸性紫紅的分子結構

2.2 方法

采用靜態吸附法進行實驗，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)調節溶液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一致的現象，即并不是天然沸石用量越多越好，當天然沸石用量為80 g/L時脫色效果最好，大于該值時脫色率開始降低，這是由于產生了解附現象所導致。當天然沸石用量為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)調節溶液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系，如圖5所示。

圖5 吸附時間對脫色率的影響

結果表明：在靜態吸附的實驗條件下，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)調節溶液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的吸附主要是依靠靜電吸附作用來實現的[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生競爭所導致。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)調節溶液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出逐漸減少的趨勢。根據圖7中的數據，可以進行天然沸石吸附染料的吸附等溫線的分析。

4 結論

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。