香蕉叶活性炭的制备及其对亚甲基蓝的吸附性能

2021-03-03赖晓琳黄明强

印染助剂 2021年2期

赖晓琳，黄明强，张刚

（1.漳州卫生职业学院药学系，福建漳州 363000；2.闽南师范大学化学化工与环境学院福建省现代分离分析科学与技术重点实验室，福建漳州 363000）

随着科技和工业的发展，染料废水带来的环境问题越发受到重视。据资料显示，每年染料总产量超过70 万t，约有2%的染料在生产过程中被直接排放，10%～15%未被利用的染料直接进入水体［1］。染料毒性高、降解性差、结构复杂，在水中溶解度高，严重危害人体健康［2］。亚甲基蓝（MB）作为一种芳香族有机化合物染料，广泛应用于工业［3］、外科治疗［4］、化学［5］等领域，若不经处理直接排放到水中将会引起严重的环境污染。因此，寻找一种经济有效的处理含MB废水的方法十分重要。有机染料废水处理方法分为物理化学法、化学法和生物法，物理化学法又分为萃取法、膜分离法和吸附法［6］。吸附法操作简单、脱色效率好且无副产品，是最常用的染料废水处理方法［7］。活性炭作为一种多孔材料被称为“万能吸附剂”，其性能与原料、制备方法有很大关系。近年来，国内外利用茶叶［8］、咖啡壳［9］和椰子树叶［10］等农林废弃物制备的生物质炭具有一定的吸附性能，价格低廉、绿色无毒。在此基础上仍需努力探寻一种原料来源更广泛、吸附效果更好的生物质吸附剂。

香蕉是漳州市的高产农作物，会产生75%左右的茎叶副产物，若不合理利用，不仅影响蕉园环境，也会造成资源浪费［11］。本研究以香蕉叶为原料，KOH为活化剂制备香蕉叶活性炭（BLAC），比较其与商品活性炭（CAC）在表面形态、孔隙结构及吸附能力等方面的差异，并以MB 溶液模拟染料废水进行活性炭吸附实验，研究其吸附类型。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：提取缩合单宁后的香蕉叶废渣，氢氧化钾、浓盐酸、亚甲基蓝（分析纯，西陇化工股份有限公司），去离子水。

仪器：FA1004 电子分析天平（绍兴市景迈仪器设备有限公司），SHA-C 恒温水浴振荡器（金坛市新航仪器厂），T6 型紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司），BJ-150 中药粉碎机（德清拜杰电器有限公司），101-1A 立式电热恒温鼓风干燥箱（天津通利信达仪器厂），SX 箱式电阻炉（上海实验仪器厂有限公司），ProX 台式扫描电子显微镜（荷兰飞纳），JW-BK112 比表面积及孔径分析仪（北京精微高博科学技术有限公司），Xpert3 X 射线衍射仪（美国CEM 公司）。

1.2 香蕉叶活性炭的制备

香蕉叶废渣在110 ℃下烘至恒重，与KOH 混合（质量比5∶1），加入一定量去离子水混匀，700 ℃高温煅烧90 min，用2 mol/L HCl和水洗至中性，再110 ℃干燥至恒重，过200目筛，保存于干燥器中备用。

1.3 吸附实验

精确称取0.05 g BLAC 于150 mL 具塞锥形瓶中，加入100 mL MB 溶液，303 K 下吸附2 h后过滤。

1.3.1 吸附等温线

等温吸附模型可以用来分析吸附剂与吸附质之间的相互作用［12］，也可用来计算吸附剂对吸附质的饱和吸附量。Freundlich 等温模型主要描述非均相和多层吸附过程，表达式［13］为：

式中，ρe为MB 的平衡质量浓度，mg/L；qe为平衡吸附量，mg/g；KF为Freundlich 等温吸附模型常数；n为无因次参数。

Langmuir 等温模型主要描述均相单层吸附过程，表达式［14］为：

式中，ρ0为MB 的初始质量浓度，mg/L；ρe为MB 的平衡质量浓度，mg/L；qe为平衡吸附量，mg/g；qm为饱和吸附量，mg/g；KL为Langmuir 等温吸附模型常数；RL为Langmuir模型无量纲常数。

1.3.2 吸附动力学

采用两种动力学模型拟合实验数据。准一级动力学模型最初由Lagergren和Svenska［15］提出，表达式为：

式中，qe为平衡吸附量，mg/g；qt为t时刻的吸附量，mg/g；k1为准一级吸附速率常数。

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准二级动力学模型［16］表达式为：

式中，qe为平衡吸附量，mg/g；qt为t时刻的吸附量，mg/g；k2为准二级吸附速率常数。

1.4 测试

表面形态：采用扫描电子显微镜观察。

比表面积：采用比表面积及孔径分析仪测定。

晶体结构：采用X 射线衍射仪进行分析。

吸附量：采用紫外-可见分光光度计在653 nm 下测定滤液中亚甲基蓝的质量浓度，按照下式计算吸附量q：

式中，ρ0为MB 的初始质量浓度，mg/L；ρt为吸附t时刻MB 的质量浓度，mg/L；V为MB 的溶液体积，L；m为香蕉叶活性炭的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 香蕉叶活性炭的表征

由图1a 可知，BLAC 具有非常发达的孔隙结构，表面分布少量的大孔及许多均匀的小圆孔。孔隙主要由基质与活化剂氧化反应生成的CO 和CO2逸出产生［17］，这种多孔结构增加了材料的比表面积，扩大了材料的吸附活性位点，使MB 更容易被BLAC 吸收。由图1b 可知，CAC 表面分布着一些大小、形状不一的孔隙及沟槽，孔隙结构不如BLAC 发达。

图1 BLAC(a)和CAC(b)的扫描电镜图

2.1.2 比表面积

由图2 可知，随着相对压力增加，低压区吸附量明显增加，中压区吸附量趋于稳定，高压区吸附量有所增加。根据IUPAC 分类，两条等温线均为具有吸附滞后的Ⅳ型。

图2 BLAC(a)和CAC(b)的氮气吸附-解吸等温线

从表1 中可以看出，BLAC 和CAC 的平均孔径分别为2.389、2.353 nm，BET比表面积分别为1 257.852、797.862 m2/g，BLAC 的比表面积是CAC 的1.58倍。

表1 活性炭样品的BET 比表面积和孔隙结构参数

2.1.3 X 射线衍射

由图3 可知，CAC 在2θ=25.39°、44.47°处有两个强衍射尖峰，对应石墨的(002)(100)晶面［18］；BLAC 在2θ=25.39°处出现了一个较宽的衍射峰，在2θ=44.47°处出现了一个较弱的尖峰，说明BLAC 为无定形结构，有利于形成发达的孔隙结构，提供更多的吸附位点，提高吸附能力［19］。

图3 BLAC(a)和CAC(b)的X 射线衍射图谱

2.2 吸附量

当MB 初始质量浓度为200 mg/L 时，BLAC 的吸附量为398.86 mg/g，CAC 的吸附量为240.00 mg/g。这个结果与SEM、比表面积、XRD 分析结果一致。

2.3 吸附等温线

由图4 可以看出，Freundlich 等温吸附模型拟合曲线的R2为0.920 9，Langmuir 等温吸附模型拟合曲线的R2为0.999 1，说明BLAC 吸附MB 的过程更加符合Langmuir 等温吸附模型，以单分子层吸附为主。在Langmuir 等温吸附模型中，当RL=0 时，吸附过程不可逆；当RL为0～1 时，有利于吸附，且越大越好；当RL=1时，吸附过程是线性的；当RL大于1 时对吸附过程不利［20］。计算知RL为0～1，说明吸附质与吸附剂之间具有较强的亲和力，303 K 时，BLAC 对MB 的饱和吸附量可达578.03 mg/g。

图4 Freundlich(a)和Langmuir(b)等温吸附模型的拟合结果

2.4 吸附动力学

由图5、图6可看出，准一级动力学模型拟合曲线的R2为0.904 5，准二级动力学模型拟合曲线的R2为0.999 9，说明BLAC 吸附MB 的过程更符合准二级动力学模型，平衡吸附量的实验值qe，exp为396.86 mg/g，和理论值qe，cal（398.40 mg/g）十分接近，说明BLAC 对MB 的吸附以化学吸附为主。