玻璃轻石吸附亚甲基蓝的研究

张奕颖,徐娜,吴懿,张贡钰,周钰洁,牛雁宁

（南京林业大学淮安校区,江苏 淮安223003）

亚甲基蓝是一种很重要的偶氮类染料化合物，不仅被广泛应用于棉、蚕丝、纸张等染色，而且也可用来制造墨水、色淀、指示剂等等。然而，随着染料工业的发展，亚甲基蓝广泛存在于印染工业废水和印染生产废水中，水体中存在的少量亚甲基蓝不仅会造成水体染色，降低水体的透光率，而且会危害人和动物的健康。因此，如何合理地选择环保型材料和方法对水体中的亚甲基蓝进行处理已经成为当前亟待解决的问题之一。吸附法能有效去除水体中的污染物，且具有价格低廉、操作简单、不产生二次污染等优点,极具发展潜力。目前，已有多种材料用于吸附废水中亚甲基蓝，如粉煤灰、凹凸棒土、高岭土、活性炭、蒙脱土、针铁矿、石墨烯等。

建筑行业每年产生大量的废弃玻璃，如未被回收利用，不仅浪费资源，而且对环境造成污染。若将这些废玻璃研磨，添加不同的助剂，高温焙烧发泡后便形成一种多孔轻质材料——玻璃轻石。近年来，玻璃轻石已经在水处理及城市绿化工程中得到了应用。玻璃轻石具有独特的结构以及良好的吸附、脱色、净化和过滤性能，而且价格便宜，因此研究玻璃轻石应用于处理废水中有害有机物的研究具有很重要的意义。本研究旨在研究玻璃轻石去除水体中有害的有机污染物亚甲基蓝。

1 实验部分

1.1 试剂

亚甲基蓝，分析纯；HSO，分析纯；NaOH，分析纯；试剂均购自国药集团化学试剂有限公司。玻璃轻石，200目,江苏晶瑞特有限公司。

1.2 仪器

PXS-450型精密离子计，上海康仪仪器有限公司；721型可见分光光度计，上海佑科仪表有限公司；85-2型恒温磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；电子分析天平，上海菁海仪器有限公司；TDZ4-WS台式低速离心机，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

1.3 亚甲基蓝的吸附实验

在100 mL的锥形瓶中取含一定pH值的亚甲基蓝水样25 mL，加入一定量的玻璃轻石，在恒温条件搅拌一定的时间后，将溶液倒入离心管中，以2 500 r/min离心5 min分相后，直接取上层清液测吸附后水相的吸光度。根据公式（1）进行亚甲基蓝吸附率（η）的计算，根据公式（2）进行亚甲基蓝吸附容量（q）的计算：

式中：C—亚甲基蓝的起始浓度，mg/L；C—吸附后亚甲基蓝的水相浓度，mg/L；V—溶液的体积，L；m—玻璃轻石的重量，g。

1.4 分析方法

配制浓度不同的一系列亚甲基蓝的标准溶液，用721型分光光度计，2 cm的比色皿，以蒸馏水为空白，在664 nm处测定其吸光度，绘制如图1所示的标准吸收曲线，未知溶液的浓度可通过标准曲线法进行计算。

图1 亚甲基蓝的标准吸收曲线Fig.1 The standard absorption line of methylene blue

2 结果与分析

2.1 吸附时间对亚甲基蓝吸附率的影响

图2 吸附时间对亚甲基蓝吸附效果的影响Fig.2 Effect of adsorption time on the adsorption rate of methylene blue

图2是吸附时间影响亚甲基蓝吸附率的关系曲线。结果显示，随着时间的增长，吸附率逐渐增加。当吸附时间达到60 min时，吸附率达到最大值，因此选取60 min为最佳吸附时间。为了表述清楚玻璃轻石吸附亚甲基蓝的吸附动力学方程，采取准一级动力学模型（方程3）和准二级动力学模型（方程4）来模拟吸附过程。

式中：q和q—t时刻和吸附平衡时吸附剂的吸附量，mg/g；k和k—一级动力学常数，min和二级动力学常数，g/（mg·min）。

通过线性拟合，用准一级动力学模型拟合的线性相关系数小于用准二级动力学模型拟合的线性相关系数。因此，用准二级动力学模型能更好地描述吸附的动力学过程，这说明化学吸附是该吸附过程的主要决速步骤。见表1。

表1 亚甲基蓝在玻璃轻石上吸附的动力学拟合参数Tab.1 Kinetic fitting parameters of methylene blue adsorption on methylene blue

2.2 pH值对亚甲基蓝吸附率的影响

图3 水相的pH值对亚甲基蓝吸附效果的影响Fig.3 Effect of pH on the absorption rate of methylene blue

pH值对亚甲基蓝吸附率的影响如图3所示，当pH值小于2时，吸附率随pH值的减小而迅速降低，主要原因是溶液中的大量H会与带正电的亚甲基蓝在吸附剂上竞争吸附。随着溶液pH值的增加，H对亚甲基蓝分子吸附的抑制作用会逐渐减小。当pH值大于2时，继续增加pH值，亚甲基蓝的吸附率变化不大。随溶液中H浓度的减少，轻石表面发生去质子化作用，轻石表面出现了更多的负电荷的吸附位点，增加了带正电的亚甲基蓝分子的吸附程度。选择pH值为5的水相进行后续试验。

2.3 玻璃轻石用量对亚甲基蓝吸附率的影响

当水样中的亚甲基蓝浓度为4 mg/L时，随着玻璃轻石量的增加，吸附率增大，玻璃轻石的投入量达到0.10 g时，亚甲基蓝的吸附率为94.4%。继续增加玻璃轻石投入量，吸附率变化不大。因此选择玻璃轻石的最佳用量为0.10 g，详见表2。

表2 玻璃轻石的投入量对亚甲基蓝吸附率的影响Tab.2 Effect of glass pumice input on the absorption rate of methylene blue

2.4 亚甲基蓝初始浓度对吸附率的影响

初始浓度从2 mg/L增加到12 mg/L，亚甲基蓝的吸附率有轻微下降，当初始浓度比较低时吸附率较高，所以在实际处理废水时，当水样中含有浓度过高的亚甲基蓝时，建议先稀释后再用玻璃轻石处理，会有更好的效果，详见表3。

表3 玻璃轻石的量对亚甲基蓝吸附率的影响Tab.3 Effect of the initial concentration of methylene blue on the absorptionrate

2.5 玻璃轻石吸附亚甲基蓝的等温线

为了进一步研究玻璃轻石对亚甲基蓝的吸附行为，可根据Freundlich等温方程（3）和Langmuir等温方程（4）线性拟合吸附亚甲基蓝的吸附等温线。式中，q为吸附容量，q为饱和吸附容量，C为吸附后溶液的浓度，b为吸附系数，x和y为特征常数。

线性拟合的结果见表4。从表4可以看出，用Freundlich等温线拟合的线性相关系数（r=0.999 7）大于用Langmuir等温线拟合的线性相关系数（r=0.997 1），说明用Freundlich吸附等温方程能更好地描述吸附过程，表明亚甲基蓝在玻璃轻石上的吸附倾向于多层吸附。

表4 Langmuir等温方程和Freundlich等温方程线性拟合结果比较Tab.4 Comparison of linear fitting results between Langmuir isotherm equation and Freundlich isotherm equation

3 结论

玻璃轻石对亚甲基蓝有很强的吸附能力，在60 min内可以快速建立吸附平衡，吸附过程符合准二级动力学方程。对吸附有较大影响的是溶液的pH值，pH值小于2的水样不利于亚甲基蓝的吸附。对于酸度过高，亚甲基蓝浓度过高的水样，需要将其中和并且稀释后再进行吸附。玻璃轻石的吸附能力随水样亚甲基蓝初始浓度的增加而轻微有所下降。吸附过程能用弗罗因德利希（Freundlich）方程进行线性拟合。