改性介孔分子筛吸附剂的制备与吸附除砷研究

摘要

有色金属行业含砷废水严重污染环境，对人体健康造成极大危害，研究开发高效型、经济型的治理技术具有深远的社会环境效益。吸附法具有简单易行、经济适用、处理效果好、易于再生等优点，目前正逐步成为废水处理中的研究热点和主流方法。介孔分子筛是由一系列不规则的孔道组成的具有特殊结构的多孔材料，具有比表面积大、孔道结构丰富、孔径可调节、对吸附质选择性高、吸附容量大、表面易于改性等特点。本研究以吸附除砷为目的，采用十六烷基三甲基溴化铵和正硅酸乙酯为原料，3-氨丙基三乙氧基硅烷为表面改性试剂溶胶凝胶法制备改性介孔分子筛吸附剂材料，在表征其基本的化学组成、形貌和内部结构的基础上，研究吸附剂材料处理含砷废水的静态吸附、脱附再生性能和动态吸附性能。
　　 采用静态吸附实验，以吸附剂材料对模拟废水中砷(V)吸附平衡时的吸附率为参考指标确定吸附剂性能的优劣。通过单因素实验对可能的制备影响因素进行考察，确定影响因素的种类和实验范围，如焙烧温度、焙烧时间、十六烷基三甲基溴化铵的量、正硅酸乙酯的量、3-氨丙基三乙氧基硅烷的量、改性时间等。在此基础上进行正交实验与极差分析，得到改性分子筛吸附剂最优的制备条件为：焙烧温度550℃、焙烧时间6 h、十六烷基三甲基溴化铵0.070 mol/L、正硅酸乙酯0.348 mol/L、3-氨丙基三乙氧基硅烷0.119 mol/L、改性时间5 h。影响因素的先后顺序为：正硅酸乙酯的量>改性时间>3-氨丙基三乙氧基硅烷的量>十六烷基三甲基溴化铵的量。
　　 在确定改性介孔分子筛合成条件，制备砷去除能力较强的改性介孔分子筛吸附材料后采用现代测试手段，如：傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、BET比表面积和孔径分布测试、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDX)、透射电子显微镜(TEM)、热重和差热分析仪(TG-DTA)等7种材料测试方法，对改性前后的介孔分子筛吸附剂材料进行了基本的化学组成、形貌和内部结构等性能表征。通过傅里叶红外光谱、X射线能谱和热重分析显示3-氨丙基三乙氧基硅烷已接枝到介孔分子筛上；改性前后介孔分子筛吸附剂表面粒度和形貌并无发生大的变化，颗粒粒径在100-200 nm之间；合成的介孔分子筛具有与文献报道相吻合的特征峰，在经过改性后其仍然保留了介孔分子筛的特性，但有序度有所下降，晶格常数变大；改性介孔分子筛的孔径分布窄，最小孔径为3.08 nm，最大孔径为31.98 nm，最可几孔径为12.93 nm，孔体积为0.875cm3/g，改性后比表面积由379.6 m2/g增加到663.6 m2/g。
　　 采用静态吸附法考察了吸附时间、溶液pH值、吸附温度对改性介孔分子筛吸附剂吸附除砷性能的影响，得出改性介孔分子筛对砷去除的吸附平衡时间为180 min，最佳pH值为3.0，最佳吸附温度为25℃，此条件下改性介孔分子筛吸附剂的静态饱和吸附容量为8.500 mg/g。在空体积Vo为5.00 mL、流速为10 mL/h条件下，改性介孔分子筛吸附剂吸附砷溶液的动态饱和吸附容量为8.701 mg/g。XRD和BET结果显示改性介孔分子筛吸附剂再生三次后特征吸收峰严重宽化，比表面积下降至187.9 m2/g。