关于使用新型表面活性剂-粘土复合材料去除多环芳烃的见解

《Applied Clay Science》：Insight into polycyclic aromatic hydrocarbons removal using novel surfactant-clay hybrid material

本研究采用两种低成本有机改性黏土（H5-Mt/TPODAC-1.5和Mt./TPODAC-1.5）去除水体中的多环芳烃（PAHs），通过静态和动态吸附实验分析其吸附性能。静态实验表明，两种黏土对高致癌性安菲灵（ANT）的最大吸附容量分别为2700和3300 μg/g，动态柱实验显示在初始浓度41 μg/L时，残留浓度低于4 μg/L，证实有机改性黏土在PAHs去除中的高效性和实用性。

　　随着环保法规的日益严格，废水处理技术需要不断改进、调整或开发新的方法，以有效去除有毒化合物。本研究重点分析了两种低成本的有机黏土（H5-Mt/TPODAC-1.5 和 Mt./TPODAC-1.5）在静态和动态实验中对水中多环芳烃（PAHs）的去除效果。通过批量吸附实验，使用含有蒽（ANT）和十六种 PAHs 的两种水溶液，研究了吸附动力学特性、最佳吸附剂用量以及竞争效应。两种有机黏土均表现出对高分子量 PAHs 的高去除能力，这些化合物被归类为致癌物。实验结果表明，H5-Mt/TPODAC-1.5 对 ANT 的最大吸附容量为 2700 μg/g，而 Mt./TPODAC-1.5 则达到 3300 μg/g。其中，去除效果最佳的有机黏土被选用于固定床柱实验，以评估操作流速、床层长度和初始浓度对 ANT 去除的影响。实验还分析了诸如有效床容量、总床容量、质量传递区、床层突破时间等关键参数。

PAHs 是由于化石燃料和有机化合物的不完全燃烧、石油泄漏、城市径流、大气沉积以及市政和工业废水排放而进入环境中的。许多 PAHs 被美国环境保护署（USEPA）和世界卫生组织（WHO）列为致突变或致癌物，如苯并[a]蒽、苯并[a]芘、苯并[b]荧蒽、?、二苯并[a,h]蒽、苯并[g,h,i]芘、茚并[1,2,3-cd]芘等。由于 PAHs 具有内在的生态毒性，许多被列为优先污染物。工业的发展导致石油行业废水的增加，从而带来更大的环境担忧。因此，有必要制定废水和污水处理政策，以避免或减少水污染。此外，许多 PAHs 在环境中非常持久，可能通过食物链积累，尤其是高分子量 PAHs，这需要开发新的技术以去除废水中的 PAHs。

石油行业废水通常含有高浓度的悬浮或乳化烃类物质，其中 PAHs 的浓度因具体情况而异。根据加拿大不列颠哥伦比亚省政府的规定，淡水和海水中的 PAHs 水质标准（长期慢性）为：芴（FLU）≤12 μg/L，苊烯（ACE）≤6 μg/L，蒽（ANT）和芴蒽（FLA）≤4 μg/L，萘（NAP）≤1 μg/L，菲（PHE）≤0.3 μg/L，苯并[a]蒽（B[a]ANT）≤0.1 μg/L，苯并[a]芘（B[a]PYR）≤0.01 μg/L。为了控制水体中的 PAHs 水平，开发可持续技术以去除低浓度的 PAHs 成为一项重要任务。这些技术包括多种物理、化学、热处理和生物过程。然而，大多数技术尚未在大规模应用中进行验证，或者尚未商业化。在这种情况下，吸附过程可以被视为一种适合大规模应用的替代方案，因为它具有操作简便、灵活且维护成本低的优势。

在吸附过程中，黏土被广泛用作吸附剂，主要得益于其优异的表面特性、普遍的可获得性以及低成本，同时它们对生态系统无害。然而，天然黏土的无机组成使其具有亲水性，对非离子型有机污染物的吸附能力较低。为了提高其对特定污染物的吸附能力，黏土可以通过改性处理来优化其性能。特别是，通过表面有机功能化处理，可以增强黏土对疏水性污染物的吸附能力。本研究旨在评估两种新型有机黏土在去除 PAHs 方面的性能，这些黏土是通过将 (3-三甲氧基硅丙基)十八烷基二甲基氯化铵（TPODAC）阳离子表面活性剂引入原始膨润土和酸活化膨润土表面而制备的。这些有机黏土具有较高的疏水性和在水体系中的稳定性，但尚未被测试作为去除烃类污染物的吸附剂。本研究通过静态和固定床动态系统，评估了这些有机黏土在单一和多组分 PAHs 吸附中的表现。为了进一步了解吸附机制，还采用了吸附等温线和动力学模型。通过批量吸附实验，研究了吸附时间、吸附剂用量、ANT 浓度以及 PAHs 混合物的竞争吸附对去除效率的影响。此外，还在固定床动态系统中研究了床层长度、流速和初始 ANT 浓度对去除效果的影响，以评估有机黏土的性能及其与质量传递过程相关的参数。

在实验材料方面，本研究使用了一种来自阿根廷内乌肯地区的天然钠膨润土（Mt），其矿物成分约为 90% 的蒙脱石（smectite），其余为石英（2%）、石膏（1.5%–2%）、长石（0.5%–1%）、方解石（0.4%）和沸石（3%–4%）。其在钙饱和状态下的结构公式为 (Ca?.??Na?.???Mg?.???) ((Si?.???Al?.???)(Al?.???Fe3??.???Mg?.???Ti?.???)O??(OH)?)，并且其阳离子交换容量（CEC）为 104.6 cmol/kg。该黏土的比表面积（BET）也被测定，以评估其吸附能力。

在吸附时间的影响方面，实验结果显示，三种材料（Mt、H5-Mt/TPODAC-1.5 和 Mt./TPODAC-1.5）在大约 5 小时后达到吸附平衡。其中，Mt./TPODAC-1.5 的吸附能力最高，达到 555 μg/g，比天然黏土高一个数量级。这一差异与 Mt./TPODAC-1.5 吸附剂表面的 TPODAC 含量较高有关，这在后文的第二部分中将进一步讨论。

在吸附剂用量的影响方面，实验表明，随着吸附剂用量的增加，ANT 的去除效率也相应提高。然而，当吸附剂用量达到一定值后，去除效率的增长趋于平缓。这一现象说明吸附剂的吸附能力已经饱和，进一步增加用量并不能显著提高去除效果。此外，吸附剂的用量对去除效率的影响还受到初始浓度和吸附时间等因素的影响。

在静态实验中，通过批量吸附测试，研究了不同条件下 ANT 的去除效果。实验发现，随着吸附时间的延长，ANT 的去除率逐渐提高，最终达到平衡。这表明吸附过程是一个动态过程，随着时间的推移，吸附剂逐渐将污染物吸附到其表面，直到达到最大吸附容量。同时，吸附剂的用量对去除效率有显著影响，适量的吸附剂可以实现较高的去除率，而过量的吸附剂可能导致资源浪费。此外，当水中存在多种 PAHs 时，竞争吸附现象会发生，这会影响不同污染物的去除效率。例如，在含有多种 PAHs 的溶液中，某些 PAHs 的去除可能受到其他污染物的影响，从而降低整体的去除效果。

在动态实验中，通过固定床柱实验，评估了有机黏土在实际应用中的性能。实验表明，当床层长度、流速和初始浓度变化时，ANT 的去除效果也相应变化。例如，较高的流速可能导致 ANT 在柱内的停留时间减少，从而降低其去除效率。而较长的床层则可以增加吸附剂与污染物的接触面积，提高去除率。此外，初始浓度的增加也会影响去除效果，当污染物浓度较高时，吸附剂可能需要更多的接触时间或更高的用量才能实现有效的去除。

在吸附动力学研究中，实验结果表明，有机黏土的吸附能力与其表面的疏水性密切相关。TPODAC 的引入不仅增强了黏土的疏水性，还通过阳离子-π 作用促进了对疏水性污染物的吸附。这种作用机制使得有机黏土能够更有效地吸附 ANT 等 PAHs。此外，吸附动力学的研究还表明，吸附过程可能遵循一定的动力学模型，如伪一级或伪二级模型，这有助于理解吸附速率和吸附容量之间的关系。

在吸附等温线研究中，实验结果表明，有机黏土对 ANT 的吸附能力表现出较强的饱和特性。当溶液中的 ANT 浓度增加时，吸附剂的吸附能力逐渐接近其最大值，这说明吸附剂具有一定的容量限制。此外，吸附等温线的研究还揭示了吸附剂对不同浓度的 ANT 的吸附行为，这有助于优化吸附条件，提高去除效率。

在实际应用中，有机黏土作为一种低成本的吸附剂，具有广泛的应用前景。特别是在处理工业废水时，由于其高吸附能力和稳定性，有机黏土可以作为一种有效的替代方案。此外，由于其表面功能化处理，有机黏土能够适应不同的污染物类型，提高其在实际应用中的灵活性。因此，有机黏土在未来的废水处理技术中可能扮演重要角色。

在实验设计方面，本研究采用了多种实验方法，包括静态和动态实验，以全面评估有机黏土的性能。静态实验主要用于研究吸附过程的基本特性，如吸附动力学、吸附容量和竞争效应。而动态实验则用于模拟实际工业废水处理过程，评估吸附剂在连续流条件下的表现。这两种实验方法相结合，能够更全面地了解有机黏土在不同条件下的吸附行为，为实际应用提供科学依据。

在实验结果分析方面，本研究发现，有机黏土在去除高分子量 PAHs 方面表现出较高的效率。这表明，有机黏土不仅能够吸附疏水性污染物，还能够有效去除具有较高生态毒性的 PAHs。此外，实验还表明，有机黏土在去除低浓度 PAHs 时也具有良好的效果，这符合当前环保法规的要求。因此，有机黏土作为一种新型吸附剂，具有广阔的应用前景。

在实验结论中，本研究认为，有机黏土在去除 PAHs 方面表现出优异的性能。TPODAC 的引入显著提升了吸附剂的吸附能力，使其在去除污染物时具有更高的效率。此外，有机黏土的高稳定性使其在实际应用中更加可靠。实验还表明，吸附过程可能受到多种因素的影响，如吸附时间、吸附剂用量、初始浓度以及竞争吸附。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素，以优化吸附条件，提高去除效率。

在实验的可持续性方面，有机黏土作为一种低成本的吸附剂，能够有效降低废水处理的成本。此外，其表面功能化处理使其具有较高的吸附能力和稳定性，能够适应不同的污染物类型。因此，有机黏土在未来的废水处理技术中可能成为一种重要的替代方案。

在实验的未来展望中，本研究认为，有机黏土的吸附性能和应用潜力值得进一步研究。未来的工作可以包括对不同种类 PAHs 的吸附研究，以评估有机黏土在去除多种污染物方面的表现。此外，还可以研究有机黏土在不同环境条件下（如不同 pH 值、温度和离子强度）的吸附性能，以提高其在实际应用中的适应性。同时，还可以探索有机黏土与其他吸附剂的协同作用，以提高整体的去除效率。

在实验的创新性方面，本研究提出了一种新的有机黏土制备方法，通过引入 TPODAC 表面活性剂，显著提升了其吸附能力。这一方法不仅适用于去除 PAHs，还可能扩展到其他污染物的去除。因此，本研究的成果具有重要的理论和实践意义。

在实验的科学意义方面，本研究通过系统的实验设计和数据分析，揭示了有机黏土在去除 PAHs 方面的性能特点。这些发现不仅有助于理解吸附过程的基本机制，还为开发新型吸附剂提供了科学依据。此外，实验结果还表明，有机黏土在去除低浓度 PAHs 时具有良好的效果，这符合当前环保法规的要求。

在实验的应用价值方面，有机黏土作为一种低成本的吸附剂，能够有效降低废水处理的成本。同时，其高吸附能力和稳定性使其在实际应用中更加可靠。因此，有机黏土在未来的废水处理技术中可能成为一种重要的替代方案。

在实验的环保意义方面，有机黏土的使用有助于减少水体中的 PAHs 浓度，从而降低其对生态环境的潜在危害。此外，其高吸附能力和稳定性使其在处理工业废水时更加高效。因此，有机黏土在未来的废水处理技术中可能成为一种重要的环保解决方案。

在实验的经济意义方面，有机黏土作为一种低成本的吸附剂，能够有效降低废水处理的成本。同时，其高吸附能力和稳定性使其在实际应用中更加可靠。因此，有机黏土在未来的废水处理技术中可能成为一种重要的经济解决方案。

在实验的科学价值方面，本研究通过系统的实验设计和数据分析，揭示了有机黏土在去除 PAHs 方面的性能特点。这些发现不仅有助于理解吸附过程的基本机制，还为开发新型吸附剂提供了科学依据。同时，实验结果还表明，有机黏土在去除低浓度 PAHs 时具有良好的效果，这符合当前环保法规的要求。

在实验的理论意义方面，本研究为有机黏土在去除 PAHs 方面的性能提供了理论支持。通过研究吸附动力学、吸附等温线和竞争效应，本研究揭示了有机黏土在不同条件下的吸附行为，这有助于理解吸附过程的基本机制。此外，实验结果还表明，有机黏土的吸附能力与其表面功能化处理密切相关，这为未来的研究提供了方向。

在实验的实践意义方面，本研究为有机黏土在实际废水处理中的应用提供了实践依据。通过静态和动态实验，本研究评估了有机黏土在不同条件下的表现，这有助于优化吸附条件，提高去除效率。此外，实验结果还表明，有机黏土在去除高分子量 PAHs 时具有良好的效果，这符合当前环保法规的要求。

在实验的创新性方面，本研究提出了一种新型有机黏土的制备方法，通过引入 TPODAC 表面活性剂，显著提升了其吸附能力。这一方法不仅适用于去除 PAHs，还可能扩展到其他污染物的去除。因此，本研究的成果具有重要的理论和实践意义。

在实验的未来研究方向方面，本研究认为，未来的工作可以包括对不同种类 PAHs 的吸附研究，以评估有机黏土在去除多种污染物方面的表现。此外，还可以研究有机黏土在不同环境条件下（如不同 pH 值、温度和离子强度）的吸附性能，以提高其在实际应用中的适应性。同时，还可以探索有机黏土与其他吸附剂的协同作用，以提高整体的去除效率。

在实验的结论部分，本研究认为，有机黏土在去除 PAHs 方面表现出优异的性能。TPODAC 的引入显著提升了吸附剂的吸附能力，使其在去除污染物时具有更高的效率。此外，有机黏土的高稳定性使其在实际应用中更加可靠。因此，有机黏土作为一种新型吸附剂，具有广阔的应用前景。