花生壳对 Cr(V I)的等温吸附模型研究

张庆芳,杨国栋,胡显峰,贾小宁,孔秀琴

(兰州理工大学石油化工学院,兰州 730050)

1 引 言

我国是花生生产大国,年产花生近 1.5×107t,花生壳约 5×106t。目前,花生壳除作为粗饲料外,大量的被烧掉或扔掉,造成了极大浪费,同时污染环境,因此对于花生壳的综合利用已迫在眉睫。花生壳中含有儿茶酚、焦性没食子酸和间苯三酚等多元酚和矿物质、脂肪类以及大量的纤维素类物质,可以综合利用。除此之外,花生壳具有较大的比表面积和多孔结构,吸附能力强,可将其用于废水处理领域[1～3]。

笔者利用花生壳作为吸附剂,考察其对水溶液中 Cr(Ⅵ)的等温吸附行为,对于开发利用这种价廉量大的农业废弃物,治理环境污染具有理论和现实指导意义。目前国内对于花生壳的吸附等温理论研究较少。

2 等温吸附线

吸附等温线即在温度一定的条件下,把吸附量随吸附质平衡浓度而变化的曲线。

2.1 吸附等温模型

随着对吸附过程的深入研究,许多学者将数学模型用于描述各种类型的吸附等温线,其中描述单一组分稀水溶液吸附平衡的吸附等温模型有 Langmuir和 Freundlich吸附模型,这两种模型属于非竞争模型。

2.1.1 Langmuir等温吸附模型

Langmuir等温吸附模型[4]基于以下假设：吸附是单分子层的;吸附剂与吸附质之间发生化学吸附,每一个吸附位上可吸附一个分子,吸附剂表面是均匀的,即均匀分布的各吸附位的吸附热△H为一个常数;被吸附的分子间相互不作用;当达到平衡时,分子撞击表面而被吸附的速度与己吸附分子从表面上逃逸的速度相等。其线性表达式为：

式中：qe—平衡时的吸附量,mg/g;

qm—饱和吸附量,mg/g;

Ce—吸附平衡时 Cr(V I)的浓度,mg/L;

b—吸附速率常数,L/mg。

吸附速率常数 b(Langmiur常数)是一个吸附反应吸附和解吸速率常数之比,是金属离子与吸附剂结合稳定性的量度,b越大表明两者结合稳定性越大。

2.1.2 Freundlich等温吸附模型

Freundlich等温吸附模型为经验模型,是在多层吸附理论的基础上发展起来的,它的假设条件是表面能不均匀,其表达式为：

对两边取对数,可得：

式中：qe—平衡时的吸附量,mg/g;

Ce—吸附平衡时 Cr(V I)的浓度,mg/L;

KF—吸附剂吸附能力的量度;

n—吸附强度的量度。

Freundlich吸附等温式在溶液吸附中应用十分普遍。根据 Freundlich理论,KF代表了吸附剂的单位吸附能力;1/n表明吸附剂的吸附强度,n值越大,吸附性能越好。一般认为 n值为 2～10时,容易吸附;n值小于 0.5时,则难以吸附。n值也常用于判断吸附过程的优惠性,当 n＞1时,是优惠吸附;n=1时,是线性吸附;n＜1时,是非优惠吸附。

3 实验材料与方法

将1.0g花生壳放入 50mL浓度分别为 50 mg/L、75 mg/L、100 mg/L、125 mg/L、150 mg/L的 Cr(V I)溶液,调节溶液的 pH值为 2.0,在最佳吸附温度30℃下以 140r/min的速度振荡 360min。实验结果见图 1和表 1[5]。

图1 花生壳对 Cr(V I)的吸附等温线(30℃)Fig.1 Sorption isotherm of peanut shell to Cr(V I)at 30℃

表1 30℃下花生壳对 Cr(V I)的等温吸附结果Tab.1 Isother mal sorption of peanut shell to Cr(V I)at 30℃

4 结果与讨论及分析

由图 1和表 1可知,随着 Cr(V I)初始浓度的增加,溶液中 Cr(V I)的平衡浓度 (Ce)也在增加,同时花生壳的平衡吸附量(qe)升高。

将表 1中的数据代入 Langmuir吸附等温方程(1)和 Freundlich吸附等温方程 (3)中,并以 Ce/qe对 Ce,lnqe对 lnCe作图,结果如图 2和图 3所示,计算得出相关的系数列于表 2中。

表2 Langmuir和 Freundlich模型的相关参数 (温度 30℃)Tab.2 Related Parameters ofLangmuir and Freundlich model(30℃)

图2 Langmuir吸附等温模型曲线Fig.2 Curve ofLangmuir sorption isotherm model

图3 Freundlich吸附等温模型曲线Fig.3 Curve of Freundlich sorption isotherm model

由图 2、图 3和表 2可以得出以下结论：

(1)Langmuir和 Freundlich等温吸附模型线性相关性符合均较好,相关系数大于 0.97,都可以很好的描述 Cr(V I)在花生壳上的吸附行为,但是相比而言,Langmuir等温吸附模型符合得更好;

(2)在 Freundlich吸附等温式中参数 n=2.771,在 2～10之间,表明吸附容易发生;而且 n＞1,表明吸附是一个优惠吸附过程;

(3)从Langmuir吸附等温式的参数中可以判断出吸附过程中存在最大饱和吸附量,其值为6.25mg/g。

[1] 张庆芳 .改性花生壳处理废水中重金属的实验研究[J].花生学报,2008,37(3)：16-18.

[2] 张庆芳 .生物质吸附剂—改性玉米芯脱色性能试验研究[J].化学与生物工程,2008,25(12)：60-62.

[3] wilson k,yang h,seo c w,et al.Selectmetal adsorption by activated carbon made f rom peanut shells[J].Bioresource Technology,2006,97(18)：22662-22690.

[4] 周 隽 .木屑和花生壳对低浓度重金属离子的吸附性能研究[D].南京：南京大学环境学院环境工程系,2005.41-54.

[5] 张庆芳,杨国栋,孔秀琴,赵 祥 .改性花生壳吸附水中Cr6+的研究[J].化学与生物工程,2008,25(2)：29-31.