有机粘土对染色废水吸附脱色研究

摘要：用十六烷基胺对粘土进行改性处理制得有机粘土吸附剂，考察该吸附剂对废水的吸附脱色效果。实验室研究结果表明：有机粘土在废水脱色中优于无机粘土，但比活性炭的吸附能力稍差，可以部分代替活性炭。
  　　关键词：废水处理；吸附剂；粘土
  　　中图分类号：X703.5
  　　文献标识码：A
  　　文章编号：1009-2455(2002)05-0021-03
  Adsorbing and Decolourizing Property of Organic Clay
  for Wastewater from Dyeing Process
  WANG Xiao-lan
  （Hengyang Alkali Factory, HengyaHg 421001，China）
  　　Abstract：Cetylamine was used for modification treatment of clay，with organic clay adsorbent obtained．Results of adsorption and decolorization with the said adsorbent were evaluated．The laboratory test showed that organic clay was better than inorganic clay for the decolorization of wastewater but its adsorPtivity was slightly poorer than that of active carhon and，therefore，it may be used to partially substitute for active carbon．
  　　Key words：wastewater treatment；adsorbent；clay
  　　活性炭对有机污染物具有很高的吸附能力，常用于去除工业废水中的有机污染物。但活性炭的缺点也是明显的，其价格昂贵，成本较高，再生复杂，因此大量应用活性炭处理工业废水并不十分可取。与活性炭相比，利用粘土矿物来去除工业废水中的有机污染物，具有价廉物美、吸附能力强、资源丰富及可再生性等优点。以蓖麻油经过水解、皂化。裂解和中和后得到的一种以癸二酸单钠盐为主并含有少量有机色素和混酯等组分的黑色碱性溶液作为试验用水，研究了有机粘土对该废水的脱色效果。在工业生产中一般是采用活性炭进行吸附脱色，其脱色要求是出水的色度必须小于48倍。（原水的色度为240倍）。实验研究发现所采用的有机粘土具有很好的脱色效果，可以部分取代活性炭用于废水的脱色处理。
  1 原料及试剂 　　1.1 粘土矿物
  　　实验中选用的无机粘土主要成份为高岭石、10A0埃洛石、伊利石和钠长石等矿物，精选以后的粘土的组成如表1所示。
  表1 粘土的化学组成　％ 化学成分含量化学成分含量ω(Al2O3)22.79ω(Na2O)2.18ω(SiO2)70.19ω(CaO)0.78ω(Fe2O3)0.48ω(MgO)0.95ω(TiO2)0.014烧失量4.84ω(K2O)0.49 　　从表中可以看出，该粘土含有不同数量钠、钾、钙和镁等金属离子，它们存在于粘土层间，因此可以通过阳离子交换反应把矿物中原有的无机阳离子交换成有机阳离子，从而改善粘土的层状结构和表面性质。
  　　1.2 试验药品
  　　十六烷基按盐，活性炭。
  2 分析及测试方法 　　粘土的物相组成采用DMAX-3C X-射线衍射仪测定。
  　　原水和出水的色度均采用目视稀释倍数法测定。
  　　比表面积测定：在JB-1型比表面积测定仪上利用N2吸附法测定样品的比表面积，采用BET公式计算。
  3 试验方法与原理 　　3.1 有机粘土矿物的制备
  　　有机粘土矿物通常是由有机阳离子与粘土矿物中的无机阳离子在水溶液中进行离子交换制得。一般表达式为：
  　　bM-Xa+aN←→aN-Xb+bM
  　　M－粘土矿物中可交换的无机阳离子；
  　　a－无机阳离子的价数；
  　　N－有机阳离子；
  　　b－有机阳离子的价数；
  　　X－粘土矿物中进行离子交换的位置。
  　　在本实验中，将粘土矿物与蒸馏水完全混合制成悬浮液，调节悬浮液的pH值显酸性，加入一种十六烷基被表面活性剂的水溶液（稍微过量一点），在磁力搅拌器上匀速搅拌8h，然后用蒸馏水洗涤数次后即成了有机粘土矿物。将有机粘土过滤，烘干，然后冷却至常温，粉碎过200目筛以备用。将一定量的有机粘土与一定量的助剂进行配料，在1.0MPa左右的压力下挤成φ1.5mm的柱状物，然后再在250℃下活化1h，即得到柱状的有机粘土吸附剂。其物性如表2所示。
  表2 粘土物性数据种类真密度/(g·cm-3)堆积密度/(g·cm-3)空隙/％粒度/mm比表面/(m2·g-1)有机粘土2.420.4563.01.5140.7粘土2.560.5161.61.5102.3　　3.2 脱色原理
  　　粘土矿物中常见的阳离子有钠、钾、钙、镁等。它们存在于层间，对粘土矿物的层状结构和表面性质有很大的影响。当粘土矿物处于干燥状态时，这些阳离子大多数处于脱水状态，使矿物表面暴露出来可以吸附中性有机污染物。相反当粘土矿物处于湿润状态时，特别是在水溶液中，由于阳离子的强烈水合作用，矿物表面覆盖有一层水膜并具有强烈的亲水性，不能有效吸附中性有机污染物。通过阳离子交换反应，把粘土矿物中原有的无机阳离子交换成有机阳离子，由于有机阳离子的水合作用很微弱，生成的有机粘土矿物具有疏水性，同时又增加了粘土矿物的有机质的含量，因此可以大大增加粘土矿物从水中去除疏水性有机污染物的能力。
  4 实验结果与讨论 　　分别以制得的有机粘土和无机粘土作吸附剂对废水样品进行脱色处理，考察了不同工艺条件下的脱色效果。实验结果如图1～图4所示。
  　　从图1可以看出，随着吸附剂用量的增加，废水的脱色率也随之增加，并且3种吸附剂的脱色变化趋势都有相似之处。在实验研究所采用的吸附剂范围内，未改性粘土不能满足废水的脱色要求。而改性后的有机粘土在用量超过3％以后可以使废水的脱色率达到85％。考虑到吸附剂用量的增加不但会加大处理设备的投入，而且增加后续再生设备的容量。因此对于有机粘土吸附剂，3％的用量比较适宜。为了便于对比考察，对于其它两种吸附剂，在实验中的用量也采用3％。
   　　图2反应了吸附温度对废水的脱色影响，在所选择的实验温度范围内，随着吸附温度的升高，脱色率增加。因为温度升高，有利于相间的传质。但对于有机粘土而言，可以预测当温度到达某一范围时，其吸附能力可能会下降，其原因是温度高到某一值时，会导致其活性组分的流失。考虑到这些因素，适宜的温度范围为70℃左右。
   　　图3表示了吸附时间对脱色率的影响，从图中可以看出，当吸附时间小于30min时，脱色率随着吸附时间的增加而显著增加；而脱色时间超过40min以后，脱色效果提高变慢，考虑到生产周期、能耗和脱色效果，适宜的脱色时间取40min。
   　　在实验过程中，利用稀盐酸来调节废水的pH值，考察了废水叫值对脱色效果的影响，其结果如图4所示。从图4可以看出，pH值对粘土吸附脱色的变化规律与活性炭不一样，对活性炭而言，曲线有一个最高点，也就是说有一个最佳的pH值范围（5～6）；对有机粘土而言，随着pH值的增加其脱色效果降低。在pH值为3～4时，其脱色率就能满足要求。
   　　通过对工艺条件的筛选，认为有机粘土用于染色废水的脱色有一个适宜的工艺条件，在此条件下，对吸附剂进行4次重复脱色实验，发现有机粘土的平均脱色率达到83％，误差为±1％。
  5 结论 　　从以上分析讨论中，对有机粘土吸附剂可以得出以下结论：
  　　①经过表面活性剂改性后的有机粘土同一般粘土相比，对癸二酸单钠溶液具有良好的脱色效果，但其脱色效果比活性炭稍差，但考虑到其成本低，来源广泛等特点，它将与其它吸附剂一样，在工业废水处理领域中有着广泛的应用前景[1-2]。
  　　②通过对工艺条件的探讨，对有机粘土而言，适宜的吸附脱色条件是：吸附剂用量3％，温度70℃左右，吸附时间40min，废水的pH值为3～4。
  参考文献：
  [1]鲍世聪，孙家涛，刘羽，等．交联粘土矿物的吸附特性研究（Ⅲ）[J]．武汉化工学院学报，1997，19(3)：27～30．
  [2]Fogler H S，Arbor A．Srinivasan K R，et al．Modified Sorbents[P]．US：patents 4740488，1988-04-26．

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