纳米氧化锌对有机染料废水的吸附研究

刘兴强　王西霞

摘 要：采用醋酸锌和过氧化钠为原料常温下一步法制取纳米氧化锌。研究了纳米氧化锌对有机染料模拟废水活性艳红溶液的吸附行为。主要研究了吸附时间、温度、溶液pH 值对吸附效果的影响。实验结果表明：当吸附时间为120 min 、温度为60℃、溶液pH 值为5时，纳米氧化锌对活性艳红溶液的吸附效果达到了93.9% 。

关键词：纳米；纳米氧化锌；吸附；有机染料废水

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.245

0 引言

近年来，由于工业的快速发展与社会生活水平的不断提高，使得工业废水、生活污水、农田灌溉用水等大量排放，从而导致了江河湖泊等水资源污染日益严重，且给人类健康带来了巨大的潜在危害[1]。因此研发新材料来吸附与降解有机染料废水已成为迫在眉睫的研究任务。目前，纳米材料因其独特的物理化学性质受到广泛重视并应用于各个领域。纳米氧化锌是一种多功能性的新型无机材料，由于晶粒的细微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏觀物体所不具有的表面效应[2]、体积效应、量子尺寸效应[3]和宏观隧道效应[4]以及高分散性等特点[5]。纳米氧化锌作为一种新型材料不仅应用于常规的水处理中，还应用于城市、工业等污水的处理。传统的水处理方法存在着处理效率低、成本高的特点，而纳米氧化锌为尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例，且随着粒径的减小表面原子数迅速增加，原子配位不足加上高的表面能，使这些表面原子具有很高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，因此，纳米氧化锌具有很强的吸附能力，在污水的处理中起着非常重要的作用。

1 主要实验仪器试剂

1.1 实验仪器

DGG-9023A电热恒温鼓风干燥箱、SHB-III循环水式多用真空泵、THZ-312台式恒温振荡器、TDL80-2B台式离心机、PB-10酸度计、TE124电子天平、ZWKJ-02紫外可见分光光度计。

1.2 主要试剂

醋酸锌、过氧化钠、活性艳红等。

2 实验部分

2.1 纳米氧化锌的制备

将醋酸锌和过氧化钠按物质的量的比例为1： 3.3 进行称取[6]，并将其在一定蒸馏水中混合，放在温度为25℃的磁力搅拌器上搅拌5 h 。待搅拌完成后将搅拌液用真空抽滤进行过滤，用超纯水洗3次，将固体粉末放在60℃的烘箱内烘烤12 h 。

2.2 实验方法

向容量为50 mL的烧杯中加入初始浓度为C0的活性艳红废水50 mL，用0.01 mol/L的NaOH或HCL调节溶液的pH，加入质量为0.1 g的纳米氧化锌，在频率为150 r/min一定温度下的水浴中振荡吸附，振荡后放入离心机中进行离心分离，取出离心液在活性艳红的最大吸收波长处538 nm处测定其吸光度，通过吸光度计算出活性艳红的浓度C，通过下式计算出吸附率（%）。吸附率（%）=（C0 - C1）/C0 ×100%

3 结果与讨论

3.1 吸附时间的影响

取模拟废水浓度为10 mg/L的活性艳红溶液50 mL，向废水中加入纳米氧化锌0.1g，在25℃下磁力搅拌，分别于5 min，10 min，20 min，40 min，60 min，90 min，120 min，150 min取样进行分析，考察反应时间对其吸附率的影响，如图1所示。从图 1 中可以看出，活性艳红去除率随着振荡时间的不同而不同。活性艳红溶液去除率从0 min 到 120 min 随着时间的增加去除率也随之增加。但从120 min到150 min中，由于时间的增加，质量浓度逐渐减小，使活性艳红溶液去除率随着时间的增加而减少。而且，120 min时的去除率与150 min 时的去除率只差0.001，因此，可以得出当振荡时间为120 min 时，活性艳红溶液去除率可以达到最佳。

3.2 温度的影响

取模拟废水浓度为10 mg/L的活性艳红溶液50 mL，向废水中加入纳米氧化锌0.1g，温度分别取15℃ ，30℃ ，50℃ ，60℃ ，75℃ ，90℃ 情况下震荡2 h 。考察温度对活性艳红的去除率的影响，结果如图2 所示。由图 2可以看出，从15℃增加到60℃ 的过程中去除率呈现逐渐上升趋势，这是因为随着温度的升高，使得溶液中分子、离子的运动速度加快，加速了纳米氧化锌与活性艳红溶液中分子的接触吸附。但当温度从60℃ 到 90℃ 的增加的过程中，溶液中的分子、离子运动速度越来越快，使原本本吸附的活性艳红分子发生解吸附，从而使得对活性艳红的去除率降低[7]。因此，在处理 50 m L 、浓度 10 mg/L 的活性艳红溶液时，最佳的振荡温度为60℃ 。

3.3 pH值的影响

取模拟废水浓度为10 mg/L的活性艳红溶液50 mL，向废水中加入纳米氧化锌0.1g，调节pH分别为2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 ，温度为60℃情况下震荡2 h，考察不同的pH值对活性艳红废水去除率的影响，结果如图3 所示。

从图 3 可知活性艳红处于酸性条件下脱色较快，当pH 达到5 时，其脱色率最快。随着pH 值的升高，活性艳红溶液去除率呈下降趋势。原因是脱色率与不同pH 值下活性艳红在水溶液中的解离性有关。在不同状态下，活性艳红会表现出不同的反应特点。在酸性条件下，活性艳红结构中的磺酸基获得质子后，染料的疏水性增大，使染料分子更容易扩散到气液界面上，增强了染料分子的活性，提高了吸附效率。而在碱性较高的条件下，?OH失去质子，染料分子以盐的形式存在，亲水性增强，挥发度降低，使气液界面处的染料分子质量浓度较低，致使吸附率下降。

4 结论

本研究通过常温下一步法制备的纳米氧化锌对模拟废水中活性艳红吸附效果进行了研究，与传统的去除方法相比较，具有成本低、吸附率高、经济、污染少、结果较准确等特点。实验结果表明纳米氧化锌对活性艳红具有较好的吸附效果，在吸附时间为2 h，最佳吸附温度为60℃，pH为5时，纳米氧化锌对浓度为10mg/L的50 mL活性艳红的吸附率达到93.9% 。

参考文献：

[1]姜虎生，吴南.纳米氧化锌对废水中Cu2+、Cd2+吸附性能研究[J].长春理工大学学报，2008，31（01）：139-141.

[2]王孝华，聂明.纳米氧化锌制备的新进展[J].化工新型材料，2011，39（03）：16-18.

[3]Cavicchi P E，Silsbee R H. Coulomb Suppression of Tunneling Rate from Small Metal Particles[J]. Phys.Rev.Lett，1984，52（16）：1453-1456.

[4]Prashant V K， Nada M D.Colloidal semiconductors as photocatalysts for solar energy conversion[J].Solar Energy， 1990，44（02）：83-98.

[5]辛显双，周百斌，肖芝燕等.纳米氧化锌的研究进展[J].化学研究与应用，2003（15）：603-605.

[6]Seungho Cho ，Ji-Wook Jang，Jungwon Kim.Three-Dimensional Type II ZnO/ZnSe Heterostructures and Their Visible Light Photocatalytic Activities[J].Langmuir 2011： 27（16）：10243-10250.

[7]陈颖，黄升谋.锯末半焦对亚甲基蓝的吸附性研究[J].湖北文理学院学报，2012，33（08）：43-46.

基金项目： 漳州自然科学基金（ZZ2013J18），福建省自然科学基金面上项目 （2015J01062） ； 福建省教育厅科技研究A 类科技项目（JA13354），福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划。

作者简介： 刘兴强（1975-） ，男，湖南武冈人，博士，副教授，研究方向： 水处理技术。