以底泥、粘土和鵝掌楸為原料制作新型陶粒的吸附特性研究

王祝來，曾晨淅，徐文清

(1.南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037；2.教育部淺水湖泊綜合治理與資源開發重點實驗室，江蘇 南京 210098)

吸附法的特點是效率高，操作簡單，可重復使用。污水中的雜質包括重金屬、有機物和有毒物質，可以用不同的吸附劑去除，如蒙脫土[1]、活性炭[2-4]、陶粒等[5]。湖底淤泥中的重金屬和有毒物質可能會泄漏到外部環境，尤其是地下水中。鵝掌楸落葉凋零，覆蓋在地面上，會造成一定的環境問題。 前人對鵝掌楸進行了多個方面的研究[6-8]。

本研究旨在進行一種由湖底淤泥、粘土和鵝掌楸制成新型陶粒的吸附特性研究。陶粒的吸附特性主要考察了陶粒對亞甲基藍的吸附效果，其中包括初始濃度、吸附時間和添加質量的影響。本研究既解決了底泥、鵝掌楸對環境造成的影響問題，又為陶粒原料的選擇提供了新的途徑。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

本研究制備陶粒的原料包括底泥、粘土和鵝掌楸。 底泥來自于南京玄武湖，是在壓濾機脫水后形成的污泥。粘土和鵝掌楸取自南京林業大學校園內，鵝掌楸是從鵝掌楸樹上掉下來的落葉，而粘土來自于校內工地上，塑性指數>17。

上述底泥和粘土的化學成分見表1。

表1 原材料底泥和粘土的化學成分及分析Table 1 Chemical compositions of raw materials analyses

有機物是鵝掌楸的主要化學成分，包括纖維素、多糖和蛋白質。 原料在加熱爐中加熱到105 ℃放置2 h，然后用TYSP-200高速粉碎機研磨到100目以下。 本研究中底泥∶粘土∶鵝掌楸的質量比見表 2，這一比率的陶粒類型定義為TLA。

表2 樣本含量和質量比Table 2 Sample contents and ratios

V-Sorb2800比表面積分析儀;INCA250EDS電子能譜儀;UV752分光光度計;SX2-12-10室內電爐;TYSP-200高速粉碎機。

1.2 方法

1.2.1 陶粒的生產 根據表2中的樣品含量和質量比，將3種原料完全混合并加入一些適量的水，然后手工搓成直徑為6～8 mm的陶粒。 最后，將上面制作的陶粒在室溫20 ℃左右保存2 d。

1.2.2 陶粒的預熱和燒結 預熱和燒結的溫度及持續時間見表3。

表3 陶粒的預熱和燒結溫度及持續時間Table 3 Preheating and sintering temperatures and duration of ceramsite

陶粒在室內電爐加熱，每次預熱和燒結溫度為10 ℃/min。 因為考慮到不同預熱和燒結溫度以及持續時間的不同，把陶粒分成6組，編號分別是1,2,3,4,5,6。

1.2.3 檢測方法 利用V-Sorb2800比表面積分析儀測定陶粒的比表面積。采用INCA250EDS電子能譜儀對底泥和粘土的化學成分進行分析。 用UV752分光光度計測試陶粒吸附的亞甲基藍濃度。 吸附容量和速率的計算公式如下：

(1)

(2)

2 結果與討論

2.1 優選最佳陶粒

為了優選出最佳的陶粒，即比表面積最大陶粒，依據表3進行實驗，結果見圖1。

圖1 預熱和燒結參數對比表面積的影響Fig.1 Effect of preheating and sintering parameters on specific surface area

由圖1可知，隨著陶粒種類數量的增加，比表面積先增大后開始減小。 由于陶粒的型號為2號時，即預熱和燒結溫度和持續時間為，預熱：300 ℃，20 min，燒結：750 ℃，20 min，此時陶粒比表面積最大。 由圖還可知，從4號陶粒到5號陶粒過程中，陶粒比表面積急劇下降，最終達到最小約1 m2/g。 出現上述現象的原因解釋是，陶粒的比表面積隨陶粒的預熱和燒結溫度的變化而變化。 在開始階段，隨著預熱和燒結溫度和時間的持續升高，由于水的揮發和有機物的燃燒，陶粒的內部孔隙越來越小，導致比表面積的增加。 之后隨著預熱和燒結溫度和持續時間的繼續增加，在預熱溫度和燒結溫度分別為，500 ℃，20 min和950 ℃，20 min時，陶粒內部孔隙開始融化，小孔隙形成較大的孔隙，使比表面積最小。

2.2 吸附時間對吸附容量和吸附速率的影響

為了考察吸附時間對吸附容量和吸附速率的影響，在以下的條件下進行了實驗，亞甲基藍初始濃度6 mg/L，質量分別為1，3，5 g，吸附時間分別為1，3，5，7，9，11 min，結果見圖2、圖3。

圖2 吸附時間對吸附量的影響Fig.2 Effect of adsorption time on adsorption capacity

圖3 吸附時間對吸附速率的影響Fig.3 Effect of adsorption time on adsorption rate

隨著吸附時間的增加，吸附容量和速率都逐漸上升，由圖2和圖3可知，陶粒質量在1～5 g之間的變化，吸附容量減小，吸附速率增大。 在圖2中，隨著吸附時間的增加，陶粒1 g的吸附量遠大于3 g和5 g，而3 g和5 g吸附量幾乎相同。 在圖3中，當吸附時間為1 min時，吸附速率差異不顯著；當陶粒質量為1 g時，吸附速率曲線急劇增大，而質量為3 g和5 g時，吸附速率的增量相對較小。 出現以上現象的原因是，由圖2可知，初始濃度1，3，5 g均為6 mg/L，吸附容量的單位為mg/g，即陶粒質量為1 g時可吸附亞甲基藍質量大于3 g和5 g。隨著吸附時間的延長，亞甲基藍被充分吸附，陶粒的內孔被亞甲基藍覆蓋，吸附容量逐漸上升。 在圖3中，吸附速率為吸附質量與亞甲基藍原質量的比值，陶粒的質量越大，亞甲基藍的吸附量越大。 同時，隨著吸附時間的延長，亞甲基藍的吸附質量穩步提高。

2.3 初始濃度對吸附容量和吸附速率的影響

為了評價初始濃度對吸附容量和速率的影響，在一定條件下進行實驗，即吸附時間7 min，陶粒質量分別為1，3，5 g，亞甲基藍的初始濃度分別2，4，6，8，10，12 mg/L， 結果見圖4、圖5。

由圖4可知，隨著初始濃度的增加，3種質量的陶粒1，3，5 g的吸附量均增加，但隨著陶粒質量從1 g 到5 g的增加時，吸附量呈下降趨勢。 此外，當陶粒質量為1 g時，吸附量急劇增加。 當初始濃度為2 mg/L時不同質量間吸附量無顯著差異。

圖4 初始濃度對吸附量的影響Fig.4 Effect of initial concentration on adsorption capacity

圖5 初始濃度對吸附速率的影響Fig.5 Effect of initial concentration on adsorption rate

圖5變化與圖4基本相同， 隨著初始濃度的增加，3種質量的陶粒1，3，5 g的吸附速率也隨之增加， 且隨著陶粒質量在1～5 g之間增加，吸附速率穩步提高。 當初始濃度為2 mg/L時，3種質量之間的吸附能力的差異比初始濃度為12 mg/L更大。 出現以上現象的原因是，當初始濃度較低時，亞甲基藍的吸附質量較少，而當初始濃度較高時，亞甲基藍被充分吸附，從而導致吸附容量的增加。 陶粒質量1 g時對亞甲基藍的吸附質量大于5 g時。 圖5中，由于陶粒的質量較大，在陶粒中有較大的比表面積吸附亞甲基藍。圖4中也是如此，隨著初始濃度的增加，亞甲基藍的吸附質量大于低初始濃度。

2.4 陶粒質量對吸附量和吸附速率的影響

為了考察陶粒質量對吸附量和速率的影響，在以下條件下進行實驗，這些條件包括初始濃度6 mg/L， 吸附時間1，5，9 min，陶粒質量分別為1，2，3，4，5 g，結果見圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，隨著陶粒質量的增加，吸附量逐漸減小，吸附速率逐漸增大。 當陶粒的質量為1 g， 吸附容量和速率均無顯著差異。 隨著吸附時間的變化，從1～9 min時，吸附量和速率都呈上升趨勢。 當吸附時間分別為5，9 min時，吸附速率急劇增加。出現以上現象的原因是，在圖6中，3種溶液初始濃度均為6 mg/g，隨著陶粒質量的增加，當陶粒質量為5 g時，亞甲基藍的吸附質量最小，即陶粒的質量越大，每g陶粒吸附的亞甲基藍越少。隨著吸附時間的延長，陶粒內孔比表面積得到充分利用。當陶粒的質量為1 g時，無論吸附時間如何變化，可吸附比表面積均小于5 g。隨著吸附時間延長至9 min，亞甲基藍的總吸附質量增加，導致吸附率上升。

圖6 陶粒質量對吸附量的影響Fig.6 Effect of ceramsite mass on adsorption capacity

圖7 陶粒質量對吸附速率的影響Fig.7 Effect of ceramsite mass on adsorption rate

2.5 正交實驗結果

正交實驗選擇L9(34)作為正交表，在下列條件下進行實驗，包括初始濃度2，6，10 mg/L，陶粒的質量為1，3，5 g，吸附時間為1，5，9 min。 正交實驗方案及結果見表4。

R的值反映了影響因素的主次順序，水平的最大值顯示了運行條件的組合。 由表4可知R1的順序，分別為0.085 2>0.055 3>0.048 8，最重要的因素是初始濃度，最不重要的因素是吸附時間。 運行條件的最優組合是陶粒的質量為1 g，初始濃度為10 mg/L吸附時間為9 min。R2的順序為12.07>11.81>6.47，最重要的因素是陶粒的質量，最不重要的因素是初始濃度。運行條件的組合是陶粒的質量為5 g，初始濃度為10 mg/L，吸附時間為9 min。當影響因素水平分別為初始濃度10 mg/L和吸附時間9 min時，其最佳運行條件組合是相同的。同時，R1和R2的主次順序完全不同，R值的選擇依據評價指標，即吸附容量和吸附速率的變化而變化。

表4 正交實驗的方案和結果Table 4 Scheme and results of orthogonal experiment

3 結論

以底泥、粘土和鵝掌楸為原料制作陶粒，并進行了其吸附特性研究，具體結論如下：

(1)選擇2號陶粒作為本研究中使用的最佳陶粒，因其比表面積最大。

(2)隨著吸附時間和初始濃度的增加，吸附容量和速率逐漸增大。隨著陶粒質量的加大，吸附容量下降且吸附速率增加。3種因素下的吸附容量和吸附速率的大小與陶粒的比表面積和亞甲基藍吸附是否充分有關。

(3)初始濃度10 mg/L和吸附時間9 min，其最佳運行條件組合是相同的。R1和R2的主次順序完全不同，評價指標的變化決定了R值的選擇。