正交試驗優化膨潤土復合吸附劑的制備工藝

耿莘惠，肖利萍，楊曦

正交試驗優化膨潤土復合吸附劑的制備工藝

耿莘惠1，肖利萍2，楊曦1

（1. 沈陽城市建設學院，遼寧 沈陽 110167； 2. 青島理工大學，山東 青島 266033）

利用膨潤土和鋼渣復合材料制備顆粒吸附劑，考察復合顆粒中膨潤土與鋼渣的配比、外摻劑的用量、焙燒溫度、焙燒時間對Fe2+的吸附效果的影響，通過單因素和多因素正交法確定復合顆粒吸附劑的最佳制備工藝。結果表明：各因素對Fe2+的吸附量影響由大到小順序為焙燒溫度、焙燒時間、膨潤土與鋼渣的配比、Na2CO3用量，焙燒溫度對Fe2+吸附量的影響非常顯著；膨潤土復合顆粒吸附劑的最佳制備工藝條件為，膨潤土與鋼渣的配比為5∶5、Na2CO3占比為5%、陳化時間為12 h、焙燒粒徑為2 mm、焙燒溫度為450 ℃、焙燒時間為60 min。

膨潤土；鋼渣；復合顆粒；吸附

膨潤土中的礦物組成繁多，以蒙脫石為主，在兩層Si—O鍵形成的四面體中夾著一層Al—O鍵形成的八面體，因此具有二八面體結構特征[1]。由于二八面體的特殊結構，其中高價態的陽離子可以與低價態的陽離子發生離子交換，使得表面帶有永久性的負電荷，可以吸附大量的陽離子。然而隨著研究的不斷深入，為了提高膨潤土對重金屬陽離子的處理效果，將膨潤土進行了不同的改性處理，可以大大地提高對重金屬離子的處理能力。本文選擇在膨潤土中加入鋼渣作為輔料，鋼渣在水中可以釋放堿度，與重金屬離子結合形成沉淀，二者復合，可以克服單一材料對水中重金屬離子的去除效果差的問題，同時，鋼渣作為煉鋼過程中產生的固體廢棄物，用作吸附劑能夠實現以廢制廢，給社會環境帶來一定的經濟效益。

1 實驗部分

1.1 儀器及材料

Z-2000原子吸收分光光度計；雙速恒溫振蕩器（HZ9811K）；箱式馬弗爐（BSW-612）；電熱鼓風干燥箱（101-3EBS）；電子天平（BS244S）；堿式滴定管。

本試驗水樣中的Fe2+由FeSO4·7H2O提供；無水Na2CO3、甲基橙、酚酞，均為分析純試劑；膨潤土取自遼寧黑山縣萬鵬膨潤土礦，為鈉基膨潤土；鋼渣取自山東某鋼廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 單因素實驗方法

通過改變膨潤土和鋼渣配比、Na2CO3用量、焙燒溫度、焙燒時間等因素，制備復合顆粒。向各個250 mL錐形瓶中加入1 g吸附劑和100 mL 50 mg·L-1的含Fe2+的水樣，在20 ℃的溫度下以100 r·min-1的轉速振蕩反應，每隔一定時間取出錐形瓶（20、40、60、90、120 min），取樣過濾，測定濾液中Fe2+的質量濃度，計算吸附量。

1.2.2 正交實驗方法

通過單因素實驗確定復合顆粒吸附劑制備的主要影響因素，進行正交試驗。取不同的吸附劑1 g放入250 mL錐形瓶中，其他試驗條件與單因素試驗條件相同，采用極差分析和方差分析法對正交試驗結果進行分析，確定最佳制備工藝。

2 結果與討論

2.1 膨潤土與鋼渣配比對顆粒吸附劑性能的影響

在膨潤土與鋼渣配比為9∶1、8∶2、7∶3、 6∶4、5∶5，Na2CO3用量為總質量的5%，陳化12 h，焙燒粒徑為2 mm，焙燒溫度為500 ℃，焙燒時間為60 min的條件下，制備顆粒，再按1.2.1節所述進行試驗，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，鋼渣越多，復合顆粒吸附劑對Fe2+的吸附量越大。這是因為蒙脫石特殊的二八面體結構能夠很好地吸附Fe2+，同時鋼渣中的2CaO·SiO2和3CaO·SiO2水化后呈堿性，可以與Fe2+反應生成Fe(OH)2，鋼渣越多生成的沉淀越多，對Fe2+的去除效果越好。綜合考慮選擇7∶3、6∶4、5∶5的配比做下一步正交試驗。

圖1 不同配比的復合顆粒對Fe2+吸附效果

2.2 Na2CO3用量對復合顆粒吸附劑性能的影響

在膨潤土與鋼渣的配比為5∶5，Na2CO3用量分別為0、3%、5%、8%、10%，其他條件不變，制備復合顆粒，進行實驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 不同Na2CO3用量的復合顆粒對Fe2+吸附效果

由圖2可知，隨著Na2CO3的增多，復合顆粒對Fe2+的吸附量增大。這是因為Na2CO3在水溶液中釋放CO32-可以與Fe2+反應生成沉淀絡合物，絡合物不規則的包裹在復合顆粒表面，增加了比表面積，表面沉淀絡合物作為載體繼續吸附Fe2+，形成連續吸附-聚沉。綜合考慮，選擇Na2CO3用量為3%～8%做下一步正交試驗。

2.3 焙燒溫度對復合顆粒吸附性能的影響

Na2CO3用量為總質量的5%，焙燒溫度分別為400、450、500、550℃，其他條件不變下，制備復合顆粒，進行試驗，試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著焙燒溫度的升高，復合顆粒對Fe2+的吸附效果明顯下降。當溫度低于550 ℃時，焙燒過程中主要失去顆粒表面水、內部孔道中的水分及孔隙中的雜質，減少了水膜阻力。同時顆粒中碳元素以及Na2CO3分解，水分和氣體排出，為吸附Fe2+提供了更多的吸附點位，吸附性能良好。綜合考慮，選擇焙燒溫度為450、500、550 ℃做下一步正交試驗。

圖3 不同焙燒溫度的復合顆粒對Fe2+吸附效果

2.4 焙燒時間對復合顆粒吸附性能的影響

焙燒溫度為500 ℃，焙燒時間分別為40、60、90、120 min，其他條件不變下，制備復合顆粒，進行試驗，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同焙燒時間的復合顆粒對Fe2+吸附效果

由圖4可知，焙燒時間越長，復合顆粒對Fe2+的吸附量減少。這是因為隨著焙燒時間的延長，Na2CO3不斷分解釋放CO2氣體能增加顆粒內部的孔徑，降低內比表面積，吸附性能下降。綜上，選擇顆粒的焙燒時間為40、60、90 min做下一步正交試驗。

2.5 正交試驗結果

對確定的主要影響因素進行4因素3水平 L9（43）的正交試驗，按1.3.2節方法進行試驗，正交試驗設計見表1，正交試驗結果見表2。將膨潤土與鋼渣的配比和Na2CO3的用量作為誤差項進行方差分析，結果如表3所示。

表1 正交試驗設計表

表2 膨潤土-鋼渣復合顆粒制備條件的正交試驗結果

表3 對Fe2+的吸附量方差分析表

由表2和表3可知，各因素對Fe2+的吸附量影響由大到小順序為：焙燒溫度、焙燒時間、膨潤土與鋼渣的配比、Na2CO3用量，其中焙燒溫度的偏差平方和較大，對Fe2+吸附量的比74.133>（=0.01）(2,4)=18.00，說明焙燒溫度對Fe2+吸附量的影響非常顯著。綜上，膨潤土復合顆粒吸附劑的最佳制備工藝為A3B2C1D2，即膨潤土與鋼渣的配比為5∶5、Na2CO3的比例為5%、焙燒溫度為450 ℃、焙燒時間為60 min。

3 結 論

膨潤土復合顆粒吸附劑對100 mL 50 mg·L-1的Fe2+溶液的吸附量的單因素和正交試驗表明，各因素對Fe2+的吸附量影響由大到小順序為：焙燒溫度、焙燒時間、膨潤土與鋼渣的配比、Na2CO3用量，焙燒溫度對Fe2+吸附量的影響非常顯著。膨潤土復合顆粒吸附劑的最佳制備工藝條件為：膨潤土與鋼渣的配比為5∶5、Na2CO3占比為5%、陳化時間為 12 h、焙燒粒徑為2 mm、焙燒溫度為450 ℃、焙燒時間為60 min。

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Optimization of Preparation Process of Bentonite Composite Adsorbent by Orthogonal Test

1,2,1

（1. Shenyang Urban Construction University, Shenyang Liaoning 110167, China;2. Qingdao University of Technology, Qingdao Shandong 266033, China）

Bentonite and steel slag materials were used to prepare composite particle adsorbent, the influence of the ratio of bentonite to steel slag, dosage of admixture, roasting temperature, roasting time on Fe2+adsorption effect was investigated. The optimum preparation process of composite particle adsorbent was determined by single factor and multi-factor orthogonal method.The experimental results showed that the order of the influence factors on the adsorption capacity of Fe2+was as follows: the roasting temperature > the roasting time > the ratio of bentonite to steel slag > the amount of Na2CO3. The roasting temperature had significant effect on the adsorption capacity of Fe2+. The best preparation process conditions of bentonite composite granular adsorbent were as follows: the ratio of bentonite to steel slag 5:5, the ratio of Na2CO35%, the aging time 12h, the roasting particle size 2mm, the roasting temperature 450℃, the roasting time 60min.

Bentonite; Slag; Composite particle; Adsorption

TQ424

A

1004-0935（2022）02-0153-03

國家自然科學基金（項目編號：51174267、51174267）。

2021-07-21

耿莘惠（1989-），女，遼寧省沈陽市人，實驗師，碩士，2016年畢業于遼寧工程技術大學市政工程專業，研究方向：水污染控制理論與技術。