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摘要：以硅藻土为主要原料，添加适量的成孔剂和烧结助剂，采用湿式研磨、滚球成型和高温煅烧工艺，制备了新型环境材料——硅藻土基多孔陶粒。结合X射线衍射、扫描电镜、压汞仪等对材料结构与性能进行了表征。通过紫外分光光度计，考察了硅藻土基多孔陶粒对Cu2+的吸附性能。结果表明，硅藻土基多孔陶粒以石英晶相为主，孔径集中在 500～3 000 nm，比表面积为6.14 m2/g，孔隙率为 47.8%。硅藻土基多孔陶粒对Cu2+的去除率可以达到 96.5%，吸附过程符合准二级动力学模型。
关键词：硅藻土基多孔陶粒；材料结构；吸附性能；铜离子
中图分类号： TQ174.1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）03-0303-03
硅藻是一种单细胞的藻类，个体很小，一般为1 μm至数毫米。当这种水生植物死亡后，残骸在海洋或湖泊中沉积，形成硅藻土[1]。硅藻土是一种多孔性、密度小、比表面积大、吸附性好、耐酸、耐碱、绝缘的非金属矿[2] 。陶粒于1918年由Hyade研制出来[3]，作为一种新型滤料，陶粒具有以容重小、表面积大、孔隙率高、机械强度好、吸附能力强等特点，是由黏土质材料粉碎成粉，或由黏土、粉煤灰掺成孔剂等先做成球再在高温下（一般为1 000～1 350 ℃）烧结而成的[4]。烧结过程中，原料发生化学反应释放气体，产生气孔或膨胀，冷却后形成轻质多孔、有一定强度的球形或类球形硅酸盐产品[5]。陶粒内部多孔，比表面积较大，化学和热稳定性好，具有较好的吸附性能，易于再生，便于重复利用，陶粒作为一种廉价有效吸附材料而受到人们的重视。
硅藻土作为一种廉价天然矿物，具有50～800 nm的原始孔结构 [6]。以硅藻土为主要原料，相关制备硅藻土基多孔陶瓷已有大量研究[7-9]，而以其为原料制备硅藻土基多孔陶粒，并用于污水中铜离子的吸附性能却研究很少。硅藻土原始孔结构、骨料颗粒堆积以及成孔剂煅烧后形成的孔隙构成有机整体，可制得不同孔径、性能优异的多孔陶粒。本研究探讨了硅藻土基多孔陶粒的形貌及孔结构，并进一步考察了其对重金属Cu2+的吸附效果及吸附动力学特征。
1 材料与方法
1.1 材料
选用吉林长白硅藻土粉体为原料，中粒粒径为8.61 μm，孔径为50～800 nm，比表面积为20.88 m2/g，主要化学组成的质量分数为SiO2 82.33%、Al2O3 4.58%、Fe2O3 1.57%。成孔剂为碳粉。烧结助剂为高岭土、石英、长石。分散剂为硅酸钠。
1.2 样品制备
将硅藻土、成孔剂、烧结助剂、水和分散剂（质量比84 ∶ 10 ∶ 16 ∶ 2）混合，加入装有研磨介质（Φ5～8 mm的ZrO2瓷球）的球磨机（KM-1型高效快速研磨机）内研磨30 min，放入烘箱内105 ℃烘干（FN101型烘干箱）、打散（ST-07B型粉碎机）、滚球成型（BY-400荸荠式糖衣机），并于 1 020 ℃ 煅烧2 h（SX2-10-17型箱式电阻炉），制得硅藻土基多孔陶粒。
1.3 样品表征
用德国 D8 Advance 型 X 射线衍射仪测定样品的物相组成。用日本 JSM-6490LV 扫描电子显微镜观察所制得陶粒的微观形貌。用美国Auto Pore IV9500 压汞仪检测样品的孔径分布。用Archimedes法测定硅藻土基多孔陶粒烧结样品的孔隙率。
1.4 多孔陶粒对重金属Cu2+的吸附试验
配制10 mg/L Cu2+标准溶液，分别吸取20 mL于10个锥形瓶中，调节pH值=6，称取1.0 g陶粒放入其中，置于摇床中分别振荡10、30 min和1、2、3、4、6、8、12、24、48 h，摇床温度30 ℃，转速140 r/min，取出后用0.45 μm滤膜过滤，然后用UV-1240型紫外分光光度计测量滤液最大波长处的吸光度（铜离子的λmax=546 nm）[9]。根据Lambert-Beer定律，最大波长处的吸光度与浓度有很好的线性关系，即可用吸光度计算对应铜的去除率：
3 结论
以硅藻土为主要原料，碳粉为成孔剂，石英、高岭土为烧结助剂，制备了硅藻土基多孔陶粒。硅藻土基多孔陶粒以石英晶相为主，材料内孔径分布较宽，比表面积为6.14 m2/g，孔隙率为 47.8%。硅藻土基多孔陶粒对重金属有较好的吸附效果，在温度30 ℃，pH值6，吸附剂量为1 g，Cu2+初始浓度为10 mg/L时，对Cu2+的最佳吸附时间为6 h，最大去除率可达到96.5%。对吸附动力学研究表明，陶粒的吸附过程符合准二级动力学模型。通过对重金属铜的吸附试验表明，吸附过程是多方面同时进行的，既有外部液膜扩散、表面吸附，同时也有颗粒内部扩散。
参考文献：
[1]刘应隆，赵黔今. 硅藻土的特性研究及工业应用[J]. 云南教育学院学报，1998，14（5）：31-39.
[2]苏雪筠，吕 明，朱小龙. 硅藻土基多孔陶瓷的制备及性能研究[J]. 中国陶瓷，2002，38（4）：1-3.
[3]Walter J W. Potential mechanisms for romoval of humic acids from water by activated carbon[M]//Suffet I H，McGuire M J. Activated carbon adsorption of organics from the aqueous phase：Vol l. Ann Arbor，Mich：Ann Arbor Sci Publishers，1980.
[4]高 仙. 黏土基陶粒的研制及其对重金属离子的吸附[D]. 太原：太原理工大学，2010.
[5]严捍东. 生活污泥改性烧制超轻陶粒的试验研究[C]. 第二届全国固体废弃物处理及综合利用技术与设备交流研讨会论文集，2003：40-49.
[6]朱 健，王 平，罗文连，等. 硅藻土吸附重金属离子研究现状及进展[J]. 中南林业科技大学学报，2011，31（7）：183-198.
[7]高如琴，郑水林，刘 月，等. 硅藻土基多孔陶瓷的制备及其对孔雀石绿的吸附和降解[J]. 硅酸盐学报，2008，36（1）：22-24.
[8]Zhang X B，Meng G Y，Liu X Q. Sintering kinetics of porous ceramics from natural diatomite[J]. J Am Ceram Soc，2005，88（1）：1826-1830.
[9]Osman 瘙 塁 ，Remzi G，Cem . Purification of diatomite powder by acid leaching for use in fabrication of porous ceramics[J]. Int J Miner Proc，2009，93（1）：6-10.
[10]陈天虎，史晓莉. 水悬浮体系中凹凸棒石与Cu2+作用机理[J]. 高校地质学报，2004，10（3）：385-391.
[11]岳钦艳，解建坤，高宝玉，等. 污泥活性炭对染料的吸附动力学研究[J]. 环境科学学报，2007，27（9）：1431-1438.
[12]钟倩倩，岳钦艳，李 倩，等. 改性麦草秸秆对活性艳红的吸附动力学研究[J]. 山东大学学报：工学版，2011，41（1）：133-136.
关键词：硅藻土基多孔陶粒；材料结构；吸附性能；铜离子
中图分类号： TQ174.1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）03-0303-03
硅藻是一种单细胞的藻类，个体很小，一般为1 μm至数毫米。当这种水生植物死亡后，残骸在海洋或湖泊中沉积，形成硅藻土[1]。硅藻土是一种多孔性、密度小、比表面积大、吸附性好、耐酸、耐碱、绝缘的非金属矿[2] 。陶粒于1918年由Hyade研制出来[3]，作为一种新型滤料，陶粒具有以容重小、表面积大、孔隙率高、机械强度好、吸附能力强等特点，是由黏土质材料粉碎成粉，或由黏土、粉煤灰掺成孔剂等先做成球再在高温下（一般为1 000～1 350 ℃）烧结而成的[4]。烧结过程中，原料发生化学反应释放气体，产生气孔或膨胀，冷却后形成轻质多孔、有一定强度的球形或类球形硅酸盐产品[5]。陶粒内部多孔，比表面积较大，化学和热稳定性好，具有较好的吸附性能，易于再生，便于重复利用，陶粒作为一种廉价有效吸附材料而受到人们的重视。
硅藻土作为一种廉价天然矿物，具有50～800 nm的原始孔结构 [6]。以硅藻土为主要原料，相关制备硅藻土基多孔陶瓷已有大量研究[7-9]，而以其为原料制备硅藻土基多孔陶粒，并用于污水中铜离子的吸附性能却研究很少。硅藻土原始孔结构、骨料颗粒堆积以及成孔剂煅烧后形成的孔隙构成有机整体，可制得不同孔径、性能优异的多孔陶粒。本研究探讨了硅藻土基多孔陶粒的形貌及孔结构，并进一步考察了其对重金属Cu2+的吸附效果及吸附动力学特征。
1 材料与方法
1.1 材料
选用吉林长白硅藻土粉体为原料，中粒粒径为8.61 μm，孔径为50～800 nm，比表面积为20.88 m2/g，主要化学组成的质量分数为SiO2 82.33%、Al2O3 4.58%、Fe2O3 1.57%。成孔剂为碳粉。烧结助剂为高岭土、石英、长石。分散剂为硅酸钠。
1.2 样品制备
将硅藻土、成孔剂、烧结助剂、水和分散剂（质量比84 ∶ 10 ∶ 16 ∶ 2）混合，加入装有研磨介质（Φ5～8 mm的ZrO2瓷球）的球磨机（KM-1型高效快速研磨机）内研磨30 min，放入烘箱内105 ℃烘干（FN101型烘干箱）、打散（ST-07B型粉碎机）、滚球成型（BY-400荸荠式糖衣机），并于 1 020 ℃ 煅烧2 h（SX2-10-17型箱式电阻炉），制得硅藻土基多孔陶粒。
1.3 样品表征
用德国 D8 Advance 型 X 射线衍射仪测定样品的物相组成。用日本 JSM-6490LV 扫描电子显微镜观察所制得陶粒的微观形貌。用美国Auto Pore IV9500 压汞仪检测样品的孔径分布。用Archimedes法测定硅藻土基多孔陶粒烧结样品的孔隙率。
1.4 多孔陶粒对重金属Cu2+的吸附试验
配制10 mg/L Cu2+标准溶液，分别吸取20 mL于10个锥形瓶中，调节pH值=6，称取1.0 g陶粒放入其中，置于摇床中分别振荡10、30 min和1、2、3、4、6、8、12、24、48 h，摇床温度30 ℃，转速140 r/min，取出后用0.45 μm滤膜过滤，然后用UV-1240型紫外分光光度计测量滤液最大波长处的吸光度（铜离子的λmax=546 nm）[9]。根据Lambert-Beer定律，最大波长处的吸光度与浓度有很好的线性关系，即可用吸光度计算对应铜的去除率：
3 结论
以硅藻土为主要原料，碳粉为成孔剂，石英、高岭土为烧结助剂，制备了硅藻土基多孔陶粒。硅藻土基多孔陶粒以石英晶相为主，材料内孔径分布较宽，比表面积为6.14 m2/g，孔隙率为 47.8%。硅藻土基多孔陶粒对重金属有较好的吸附效果，在温度30 ℃，pH值6，吸附剂量为1 g，Cu2+初始浓度为10 mg/L时，对Cu2+的最佳吸附时间为6 h，最大去除率可达到96.5%。对吸附动力学研究表明，陶粒的吸附过程符合准二级动力学模型。通过对重金属铜的吸附试验表明，吸附过程是多方面同时进行的，既有外部液膜扩散、表面吸附，同时也有颗粒内部扩散。
参考文献：
[1]刘应隆，赵黔今. 硅藻土的特性研究及工业应用[J]. 云南教育学院学报，1998，14（5）：31-39.
[2]苏雪筠，吕 明，朱小龙. 硅藻土基多孔陶瓷的制备及性能研究[J]. 中国陶瓷，2002，38（4）：1-3.
[3]Walter J W. Potential mechanisms for romoval of humic acids from water by activated carbon[M]//Suffet I H，McGuire M J. Activated carbon adsorption of organics from the aqueous phase：Vol l. Ann Arbor，Mich：Ann Arbor Sci Publishers，1980.
[4]高 仙. 黏土基陶粒的研制及其对重金属离子的吸附[D]. 太原：太原理工大学，2010.
[5]严捍东. 生活污泥改性烧制超轻陶粒的试验研究[C]. 第二届全国固体废弃物处理及综合利用技术与设备交流研讨会论文集，2003：40-49.
[6]朱 健，王 平，罗文连，等. 硅藻土吸附重金属离子研究现状及进展[J]. 中南林业科技大学学报，2011，31（7）：183-198.
[7]高如琴，郑水林，刘 月，等. 硅藻土基多孔陶瓷的制备及其对孔雀石绿的吸附和降解[J]. 硅酸盐学报，2008，36（1）：22-24.
[8]Zhang X B，Meng G Y，Liu X Q. Sintering kinetics of porous ceramics from natural diatomite[J]. J Am Ceram Soc，2005，88（1）：1826-1830.
[9]Osman 瘙 塁 ，Remzi G，Cem . Purification of diatomite powder by acid leaching for use in fabrication of porous ceramics[J]. Int J Miner Proc，2009，93（1）：6-10.
[10]陈天虎，史晓莉. 水悬浮体系中凹凸棒石与Cu2+作用机理[J]. 高校地质学报，2004，10（3）：385-391.
[11]岳钦艳，解建坤，高宝玉，等. 污泥活性炭对染料的吸附动力学研究[J]. 环境科学学报，2007，27（9）：1431-1438.
[12]钟倩倩，岳钦艳，李 倩，等. 改性麦草秸秆对活性艳红的吸附动力学研究[J]. 山东大学学报：工学版，2011，41（1）：133-136.