新疆膨潤土的改性及其對植物切片廢液的處理*

吳 瑛，呂 悅

(1 新疆兵團南疆化工資源利用工程實驗室，新疆 阿拉爾 843300；2 塔里木大學生命科學學院，新疆 阿拉爾 843300)

植物切片實驗會產生大量染色廢液，其主要成分是酒精約占90%以上，番紅、固綠和二甲苯等其他物質大約10%，廢液顏色較深且有毒害，造成無法再使用和環境污染。膨潤土是具有特殊二維層裝結構的天然納米材料，有大的表面比表面積和高陽離子交換容量作用、孔道過濾作用及納米結構效應等特性，作為低成本吸附劑用于水處理中具有良好的應用前景[1-3]。但是由于膨潤土表面極強親水性和層間陽離子的水解，使得膨潤土對有機物吸附性能較差[4]，采用表面活性劑改性能使膨潤土變為親有機性，提高對水中有機污染的吸附[5-6]。目前已經報到了多種水體有機污染物采用膨潤土的處理[7-9]，但是對于切片污水處理尚未見報道。采用廉價的膨潤土對實驗室植物切片廢水進行處理，通過無機-有機改性提高染料的去除率。探討了吸附材料制備和影響染料去除率的影響因素，以期能為膨潤土在污水處理方面做些基礎研究，同時達到節約資源和廢物回收使用的目的。

1 實 驗

1.1 原 料

膨潤土(購于新疆農十師夏子街)，切片廢液來自塔里木盆地資源保護重點實驗植物學研究室。

1.2 膨潤土的鈉化

膨潤土研細過100目，蒸餾水與膨潤土3:1的比例浸泡24 h，攪拌制成漿體，靜置，去除上清液與下沉淀，選擇中間漿液，抽濾，80 ℃干燥后，過200目。將 5 g 膨潤土分散到500 mL的10%的Na2CO3溶液中調節pH值為9，攪拌 3 h，離心分離，用95%乙醇洗滌直至無泡沫，60 ℃干燥，研磨過200目篩，得到鈉化膨潤土。

1.3 有機膨潤土的制備

取1.6 g CTAB溶于裝有400 mL蒸餾水的燒杯中，燒杯置于加熱磁力攪拌器上，60 ℃恒溫，連續攪拌3 h使CTAB充分溶于蒸餾水中。將4 g鈉基膨潤土緩緩倒入上述溶液，仍保持溶液溫度60 ℃，連續攪拌3 h。將獲得混合液取出冷卻靜置沉淀30 min，令固液充分分離，小心去除其上清液與泡沫。離心后，蒸餾水反復淋洗，AgNO3溶液檢測濾液中無溴離子存在，60 ℃烘干，研磨過200目篩。

1.4 植物切片廢液吸附實驗

將膨潤土(改性膨潤土)于錐形瓶中，加入25 mL切片廢液。放入搖床，在不同溫度、時間和加入量等條件下進行吸附，達平衡后，離心取上清液，測定最大吸收波長處吸光度(番紅549 nm，固綠618 nm)，根據公式(1)計算吸附率：

(1)

式中：A0為初始吸光度，Ax為吸附平衡后的吸光度。

2 結果與討論

2.1 膨潤土形貌分析

從圖1可以看到，當膨潤土中引入 CTAB 后，鈉膨潤土的表面由光滑、緊密、層狀明顯，而經過CTAB改性后表面變的粗糙、松泡細軟，空隙增加，片層出現距離增加，表面積加大，有利于其更好地吸附有機物[10]。

圖1 改性前后膨潤土SEMFig.1 SEM photos of Na-bentonites and CTAB-bentonites

2.2 吸附性能

2.2.1 混合膨潤土的比例對吸附的影響

由表1得到在膨潤土與CTAB-Bent的混合比例中1:2的去除率最佳，相較于單一的兩種材料，兩者的混合可以優化對廢液的去除率。在實驗數據中以1:2比例混合而成的材料對廢液的去除率性能最佳，比例為2:1時混合膨潤土的去除率較其他比例更低，大多數的CTAB-Bent沒有發揮其吸附作用，使材料大量浪費。

表1 膨潤土與CTAB-Bent不同比例條件下的吸附率Table 1 Removal rate of bentonite and CTAB-Bent at different ratios

2.2.2 投加量對吸附影響

膨潤土對固綠染液不吸附，但對番紅染液去除率在最佳投加量1.0 g時可以達到80.46%，隨著膨潤土投加量由1 g到1.4 g，對廢液中番紅的去除率幾乎不變，即說明吸附達到平衡。混合膨潤土不僅可以去除番紅，同時也可以去除固綠，去除率隨著吸附劑加入量的增大而增大，在加入量為0.8 g時達到最佳吸附效果，對番紅的去除率可以達到92.58%，對固綠的去除率可以達到80.46%。兩者對比就可以發現改性后膨潤土與原膨潤土混合后形成的混合膨潤土的材料對于染料的去除率明顯要大于膨潤土，見圖2。

圖2 材料的不同加入量對染料去除的影響Fig.2 Effect of addition amount on adsorption capacity of bentonite and mixed bentonite

2.2.3 吸附溫度的影響

不同溫度實驗中，圖3表明了溫度在40 ℃時膨潤土對番紅染液的去除率達到81.88%，混合膨潤土對番紅染液的去除率達到94.53%，對固綠染液的去除率達到87.39%。雖然增加溫度對吸附量有一定的促進作用，但是作用效果微乎其微，在溫度超過40 ℃后，還會影響吸附效果，去除率大量下降。

圖3 溫度對膨潤土改性膨潤土的影響Fig.3 Effect of temperature on bentonite and mixed bentonite

未改性時，膨潤土本身存在表面吸附作用以及離子交換作用，在對切片廢液的處理實驗中，吸附廢液中的番紅染料大部分是因為膨潤土的表面吸附作用，但是膨潤土無法對染料廢液中的固綠染液進行吸附去除，是由于固綠是酸性染料，需要對膨潤土進行改性，使膨潤土的離子交換能力增強。經過活性表面劑CTAB改性后的膨潤土，能夠吸附固綠染料，這證明CTAB成功插入膨潤土的層間內部，導致膨潤土層間距增大，有更大的吸附比表面積以及吸附點[12-13]，使得它的吸附范圍變廣，吸附性能變強，對廢液中陰、陽離子染料的去除率也繼而增大。

2.2.4 吸附時間的影響

時間對膨潤土和混合膨潤土對染料去除率的影響，從圖4中可以看到，接觸時間在10～80 min之間，廢液中染料的去除率隨著接觸時間的增加而增加，這是由于在短時間內，膨潤土與混合膨潤土本身的吸附容量沒有達到飽和。因此去除率隨著吸附時間的增加而增加，但隨著時間逐漸增長，去除率的增長變得緩慢，在80 min時，膨潤土與混合膨潤土都達到平衡，此時膨潤土對番紅染料的去除率為80.47%，混合膨潤土對番紅染液的去除率為93.62%，對固綠染液的去除率為85.67%。但超過80 min后，去除率只有微小變化，即吸附劑達到了飽和狀態。因此，根據圖6中顯示的結果可以確定，膨潤土與混合膨潤土的去除廢液平衡時間為80 min。

圖4 時間對膨潤土與混合膨潤土的影響Fig.4 Effect of time on bentonite and mixed bentonite

3 結 論

(1)研究表明，膨潤土不能吸附酸性染料固綠廢液，無法去除廢液中固綠的成分，但是膨潤土在加入量1.0 g/25 mL，吸附時間為80 min的條件下對廢液中番紅染料的吸附力很強，去除率達到了81.88%，能夠去除廢液中番紅的成分。溫度對膨潤土的去除率影響較小，為了節省能源，可以在30 ℃下處理廢水。

(2)通過CTAB對自制鈉基膨潤土改性后，能使材料獲得吸附固綠染液的能力，但同時對番紅染液的去除率相應下降，將CTAB-Bent與膨潤土以2:1的比例混合后，可使在投加量在0.8 g/25 mL，吸附時間80 min時對番紅染料廢液去除率達到90%以上，對固綠的去除率在80%左右。處理過的廢液顏色近乎透明，肉眼觀察不到有顏色存在，證明該方法可以用于番紅-固綠染料廢液的回收處理。

(3)相比膨潤土對廢液的去除率，混合膨潤土不僅在番紅的去除率上超過膨潤土，同時也解決了對固綠的處理問題，可以直接對染料廢液進行處理，節約成本。