活性炭吸附废水中亚甲基蓝的效果及条件研究

张德谨 朱家宝 谢 永 史洪伟 王红艳

(宿州学院化学化工学院, 安徽 宿州 234000)

染料废水是水体污染的主要来源之一，亚甲基蓝是染料废水的主要成分之一。处理废水中的亚甲基蓝，可以采用物理处理法(如吸附法、过滤法、膜分离法、混凝法等)，或化学处理法、生化处理法。物理处理法中的吸附法具有不需添加其他药剂且成本低、效果好、操作简单、无污泥产生等优点，被广泛用于印染废水处理[1-2]。活性炭作为一种常见的吸附剂，具有性质稳定、易回收及比表面积大等特点[3]，被广泛用于污水处理、大气污染防治等领域。我们通过实验，利用微波辅助技术对活性炭进行改性，并测试了吸附温度、吸附时间及溶液pH等因素对改性活性炭吸附亚甲基蓝的效果的影响。

1 实验部分

实验所用仪器主要有DZF-6050型真空干燥箱、721型紫外-可见分光光度计、MCR-3型微波反应器、79-1型磁力搅拌器。实验所用化学试剂均为分析纯。

1.1 制备改性活性炭

(1) 测试微波功率对活性炭吸附性能的影响。取5 g活性炭，置于微波反应器中。设定温度为 70 ℃，时间为5 min，分别在微波功率100、200、300、400、500 W条件下进行改性。

(2) 测试温度对活性炭吸附性能的影响。取 5 g活性炭，置于微波反应器中。微波功率为200 W，微波时间5 min，分别在温度为50、60、70、80、90 ℃条件下进行改性。

1.2 绘制亚甲基蓝标准曲线

取亚甲基蓝粉末0.025 g溶解于水，移入50 mL的容量瓶，定容，配制成系列标准溶液。以标准溶液中亚甲基蓝的浓度(mgL)为纵坐标，吸光度为横坐标，绘制标准曲线。得到的线性回归方程为C=5.511 28A-0.428 6，R2=0.997 62，表明在该浓度范围内线性关系良好。

1.3 改性活性炭吸附实验

(1) 测试吸附溶液的pH对改性活性炭吸附效果的影响。取改性活性炭0.5 g置于100 mL锥形瓶中，加入浓度为5.013 mgL的亚甲基蓝溶液 25 mL。然后，将吸附溶液的pH调节为2、4、6、8、10、12等6种状态，分别在45 ℃下吸附60 min。

(2) 测试温度对改性活性炭吸附效果的影响。取改性活性炭0.5 g置于100 mL锥形瓶中，加入浓度为5.013 mgL的亚甲基蓝溶液25 mL，将吸附溶液的pH调节为10。设置5种吸附温度，即25、35、45、55、65 ℃。在每种温度下，吸附1 h。

(3) 绘制静态吸附曲线。取改性活性炭0.5 g置于100 mL锥形瓶中，加入浓度为5.013 mgL的亚甲基蓝溶液25 mL，将吸附溶液的pH调节为10，在45 ℃下吸附。定时测定溶液中亚甲基蓝的浓度，绘制静态吸附曲线。

1.4 计算吸附率

对改性活性炭吸附亚甲基蓝的效果，用吸附率来衡量。吸附率的计算公式为：

E=(C0-Ce)C0×100

(1)

式中：E表示吸附率；C0和Ce分别表示吸附前和吸附结束时溶液中亚甲基蓝的浓度，单位为mgL。

2 实验结果与分析

2.1 微波功率的影响

微波功率对活性炭吸附性能的影响见图1。由图1可知，随着微波功率的增大，活性炭对亚甲基蓝的吸附率是先增大而后减小。在微波功率为200 W时，活性炭对于亚甲基蓝的吸附性能最好，吸附率达到最大值。这可能是由于过大的微波功率会破坏活性炭的表面结构，从而导致吸附率下降。因此，选择最佳的微波功率为200 W。

图1 微波功率对活性炭吸附效果的影响

改性温度对活性炭吸附性能的影响见图2。由图2可知，随着温度的升高，活性炭对亚甲基蓝的吸附率是先增大而后减小。在温度为70 ℃时，吸附率达到最大值，为62.15%。因此，选择最佳改性温度为70 ℃。

2.3 吸附溶液pH的影响

吸附溶液的pH因素对改性活性炭吸附效果的影响见图3。由图3可知，随着溶液pH值的增大，改性活性炭对亚甲基蓝的吸附率是先增大而后减小。溶液的pH为10时，吸附率最大。因此，选择吸附溶液的pH应为10。

图2 改性温度对活性炭吸附效果的影响

图3 溶液pH对改性活性炭吸附效果的影响

吸附温度对改性活性炭吸附效果的影响见图4。由图4可知，随着吸附温度的升高，改性活性炭对亚甲基蓝的吸附率先升高而后下降，在吸附温度为45 ℃时吸附率达到最高。因此，确定改性活性炭吸附亚甲基蓝的温度为45 ℃。

图4 吸附温度对改性活性炭吸附效果的影响

改性活性炭吸附亚甲基蓝的静态吸附曲线见图5。由图5可知，在吸附时间达到60 min后，改性活性炭吸附亚甲基蓝的吸附率趋于平衡。因此，确定吸附时间为60 min。

图5 静态吸附曲线

3 关于吸附动力学模型

目前，对于吸附动力学的研究主要有准一级动力学模型和准二级动力学模型。准一级动力学模型和准二级动力学模型的数学表达式分别如式(2)和式(3)[4-5]。

(2)

(3)

式中：qt、qe分别为在t时刻和在吸附达到平衡时，吸附剂(本文指改性活性炭)吸附的吸附质(本文指亚甲基蓝)的量(单位为mgg)；k1表示准一级动力学速率常数，单位为min-1；k2表示准二级动力学常数，单位为g(mg·min)。

根据上述实验结果，两种动力学模型拟合结果如图6和图7所示，吸附动力学方程及动力学参数见表1。

表1 吸附动力学参数

由表1可知，准二级动力学模型的线性相关系数(R2)大于准一级动力学模型。这说明改性活性炭吸附亚甲基蓝的过程，更适合采用准二级动力学模型来描述。

图6 准一级动力学模型拟合

图7 准二级动力学模型拟合

4 结 论

(1) 对染料废水中的亚甲基蓝，可采用活性炭吸附法来处理。制备改性活性炭时，微波功率宜为200 W，改性温度宜为70 ℃。

(2) 应用改性活性炭吸附亚甲基蓝，实现最佳吸附效果的条件为：吸附溶液的pH为10，吸附温度为45 ℃，吸附时间为60 min。

(3) 根据本次实验结果，与准一级动力学模型相比，准二级动力学模型更适合用来描述改性活性炭吸附亚甲基蓝的过程。