膨润土复合颗粒的表征及对Fe-(2+)的吸附特性研究_耿莘惠.pdf

-20-第46卷第1期 非金属矿 Vol.46 No.12023年1月 Non-Metallic Mines January,2023近年来，科研人员对矿物材料的研究不断深入，发现某些环境矿物材料的物理性质、矿物组成、化学成分及晶体结构具有特殊性，这些环境矿物材料可进行表面吸附、离子交换等反应，有效去除污废水中有毒有害物质，如重金属离子等。目前用于水处理的常见环境矿物材料有膨润土、钢渣、赤泥、沸石、硅藻土、粉煤灰、白云石。膨润土矿物组成较多，以蒙脱石为主，具有二八面体结构特征，这一特殊结构使膨润土具有良好的吸附性能。钢渣是炼钢过程中产生的废物，特殊的多孔结构使其具有良好的吸附性，同时钢渣在水中可释放碱度。将膨润土和钢渣两种材料复合改性后用于废水处理，不但能提高污水中污染物的处理效果，同时能克服单一材料去除水中污染物的局限性1。本试验将膨润土与钢渣进行复合焙烧改性，制备复合颗粒吸附剂，通过微观表征研究复合颗粒吸附剂改性前、后的微观结构变化及对 Fe2+的吸附特性。1 试验部分1.1 原料、试剂及仪器设备 钠基膨润土，取自辽宁黑山县万鹏膨润土矿；钢渣，取自山东某钢厂。将钢渣经过破碎、筛分、研磨后，过200目（74 m）筛，备用。膨润土和钢渣粒径均为 74 m。以无水 Na2CO3为外掺剂，Fe2+由 FeSO47H2O 提供，试剂均为分析纯。试验前，将原料和试剂在 105 烘箱中烘干 2 h。扫描电子显微镜（SEM），FEI Quanta200，荷兰菲达康公司；X 射线衍射（XRD）仪，XRD-6100，日本理学公司；傅里叶变换红外光谱（FTIR）仪，Nicolet is10，美国热电公司；箱式马弗炉，BSW-6-12，北京永光明医疗仪器厂；电热鼓风干燥箱，101-3EBS，北京永光明医收稿日期：2022-12-11基金项目：国家自然科学基金（51174267，51474122）。*通信作者，Tel：15041854807；E-mail：。膨润土复合颗粒的表征及对Fe2+的吸附特性研究耿莘惠1*肖利萍2 丁 蕊1（1 沈阳城市建设学院 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110167；2 青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266033）摘 要 为解决单一材料处理水中污染物的局限性，采用天然膨润土、钢渣制备复合颗粒吸附剂。利用扫描电镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）仪、傅里叶红外光谱（FTIR）仪对复合颗粒进行表征，研究复合机制及复合颗粒对污水中 Fe2+的吸附特性。结果表明，高温焙烧使膨润土层间距由1.287 nm增至1.549 nm；复合后颗粒层状结构明显，表面粗糙，比表面积大，具有较强的表面吸附能力；复合后蒙脱石的二八面体结构未改变，生成了NaAlSi2O6等新物质，使得颗粒的碱性和强度增大。复合颗粒对 Fe2+的吸附倾向于 BET 多分子层吸附，吸附 Fe2+后颗粒表面重金属离子含量增多，复合颗粒被重金属离子沉淀包裹，说明复合颗粒具有吸附-聚沉废水中重金属离子的功能，是一种创新高效、环境友好型吸附剂。关键词 膨润土；钢渣；Fe2+；吸附-聚沉中图分类号：X703;TF09文献标志码：A文章编号：1000-8098(2023)01-0020-04Characterization of Bentonite Composite Particles and Their Adsorption Properties for Fe2+Geng Xinhui1*Xiao Liping2 Ding Rui1（1 Municipal and Environmental Engineering College,Shenyang Urban Construction University,Shenyang,Liaoning 110167;2 School of Envi-ronmental and Municipal Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao,Shandong 266033）Abstract To solve the limitation of the single material in treating water pollutants,the composite particle adsorbent was prepared with natural bentonite and steel slag.Using SEM,XRD,and FTIR to characterize the composite particles,the composite mechanism and its adsorption characteristics of Fe2+in sewage are studied.The results show that the distance between bentonite layers increases from 1.287 nm to 1.549 nm after high-temperature roasting.The composite particle has an obvious layered structure,rough surface and large specific surface area,which makes it have a strong surface adsorption capacity.The dioctahedral structure of montmorillonite does not change,but new substances such as NaAlSi2O6 are generated,which increase the alkalinity and strength of the particles.The adsorption of Fe2+accords with the BET multi-molecular layer adsorption.After the adsorption of Fe2+,the content of heavy metal ions on the surface of the particles increases and the particles are wrapped by the precipitation of heavy metal ions,indicating that the composite particles have the function of adsorption-precipitation of heavy metal ions in wastewater,which is an environmentally friendly adsorbent.Key words bentonite;steel slag;Fe2+;adsorption-sedimentation-21-疗仪器厂；电子天平，BS224，德国赛多利斯股份公司；原子吸收分光光度计，Z-2000，日立公司。1.2 试验方法1.2.1 复合颗粒的制备：将膨润土和钢渣粉末按质量比 55 混合均匀，加入混合物总质量 5%的 Na2CO3作为外掺剂，混合均匀，分多次加入蒸馏水搅拌均匀后，用重锤振捣数次，用自制挤压机将复合材料挤压成 12 mm 的小球状颗粒，通风陈化 24 h 后，放入马弗炉中，在 500 下焙烧 1 h，冷却备用。1.2.2 吸附试验：取6个500 mL锥形瓶，锥形瓶中分别加入 0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g、2.5 g、3.0 g 复合颗粒和 300 mL 200 mg/L 的 Fe2+溶液，在恒温振荡器中，于 20 下以 100 r/min 转速振荡反应，每隔一段时间取样过滤，测定滤液中剩余 Fe2+的质量浓度，直至量浓度恒定，记录此时的 Fe2+质量浓度即为平衡质量浓度，根据平衡质量浓度计算吸附量，采用等温方程进行拟合。分别采用 Langmuir、Freundlich、BET、D-R 等温吸附模型对试验数据进行拟合，等温模型方程式，见式（1）式（4）。Langmuir模型：（1）Freundlich 模型：（2）BET 模型：（3）D-R模型：（4）式中：qe为平衡吸附量，mg/g；ce为平衡时溶液中 Fe2+的 质 量 浓 度，mg/L；a 为 Langmuir 常 数，RL=1/(1+ac0)；b 为多层吸附中单层的饱和吸附量，mg/g；K为表征吸附能力的常数；B为BET吸附常数；cs为吸附质的饱和质量浓度，mg/L；q0为单分子层吸附量，mg/g；为吸附能的相关常数，mg2/J2，用于计算平均自由能，E=(-2)-1/2；为相对于浓度的 polanyi吸附势，=RT ln（1/ce）。2 结果与讨论2.1 SEM 分析 膨润土、钢渣及复合颗粒焙烧前、后的 SEM 图，见图 1。从图 1 可看出，膨润土原材料层状结构不明显，孔隙少；钢渣呈不规则松散状，说明钢渣不具有层状结构；复合后未焙烧的颗粒结构中存在水分子，颗粒内部结构紧密；经过 500 焙烧后的复合颗粒结构松散，层状结构明显，焙烧后层间水分子和杂质被驱散，表面粗糙，比表面积大，有利于提高吸附性能。图1 膨润土(a)、钢渣(b)及复合颗粒焙烧前(c)、后(d)SEM图2.2 XRD 分析 膨润土、钢渣及膨润土-钢渣复合颗粒的 XRD 图谱，见图 2。图2 膨润土(a)、钢渣(b)及膨润土-钢渣复合颗粒(c)的XRD图从图 2 可看出，膨润土的层间距 d（001）为 1.287 nm，在 1.21.3 nm 范围，属钠基膨润土2，（060）峰也是蒙脱石族矿物一个较重要的衍射峰，可划分蒙 脱 石 的 类 型，当 d（060）在 0.1490.151 nm 范 围时，为二八面体蒙脱石，当 d（060）在 0.1530.155 nm 时，为 三 八 面 体 的 皂 石 类3。该 蒙 脱 石 d（060）为0.149 8 nm，表明试验用膨润土具二八面体的蒙脱石结构。当加入碱性掺料钢渣复合焙烧后，复合颗粒的层间距 d（001）为1.549 nm，比原膨润土层间距 膨润土复合颗粒的表征及对Fe2+的吸附特性研究耿莘惠，肖利萍，丁 蕊1008060400强度/(a.u.)200 10 20 30 40 50 60 70 802/()cd(001)=1.549 nmd(060)=0.150 5 nmAl O23Fe O23Na O22Si O23Al Si O6213NaAlSi O26Al SiO25NaFe+3Si O26Ca Fe+3(SiO)324 32 0001 5001 0005000强度/(a.u.)0 10 20 30 40 50 60 70 802/()d(001)=1.287 nmad(060)=0.1498 nm5004003002000强度/(a.u.)1000 10 20 30 40 50 60 70 802/()bC S2C S3RO相C F2f-CaOCa(OH)2蒙脱石石英长石-22-第46卷第1期 非金属矿 2023年1月大，说明钢渣进入了蒙脱石的层间，焙烧使层间距变大；而复合颗粒的 d（060）为 0.150 5 nm，虽有增大，但仍属于二八面体蒙脱石，说明加入钢渣并未改变蒙脱石的二八面体结构。同时经过复合焙烧改性后，膨润土、钢渣和 Na2CO3完全反应生成了新物质，如Al6Si2O13、NaFeSi2O6、Ca3Fe3(SiO4)3等；同时 Na2CO3与Si、Al 的氧化物形成硅铝酸盐化合物，如 NaAlSi2O4。高温焙烧后可增加材料的黏合程度，使颗粒的黏结性提高。综上所述，经过复合焙烧改性后，复合颗粒的层间距增大，钢渣中的碱性物质使得复合颗粒具备碱性，外掺剂 Na2CO3可提高颗粒的开孔率