巴旦木壳制备的活性炭对活性艳蓝KN-R的吸附性能

2021-12-05杨丽娟侯德花李小敏

印染助剂 2021年11期

杨丽娟，侯德花，李小敏

（伊犁师范学院化学与环境科学学院污染物化学与环境治理重点实验室，新疆伊宁 835000）

活性艳蓝KN-R 主要应用于纺织、皮革、造纸、制药等领域。世界上每年生产超过70 万t 染料［1-3］，其中12%作为废水排出。我国对印染废水的排放要求相对较高，排放标准为50 mg/L（参见GB 8978—1996）。用吸附法去除废水中的活性艳蓝KN-R 具有操作工艺简单、无二次污染且吸附材料廉价易得等优势，利用废弃橘子皮、木薯皮、香蕉皮［4-7］等生物质为原料制备的活性炭可以作为吸附剂。

新疆是世界上种植巴旦木较多的地区，巴旦木有40 多个品种［8-9］，巴旦木壳通常被直接丢弃，导致环境污染。新疆的气候特点是昼长夜短、温差较大，致使巴旦木壳的表面积大，灰分含量少，是制备上等活性炭的最佳原料之一，以此为原料制备活性炭吸附活性艳蓝KN-R 既能减少环境污染，又能实现固废资源的资源化利用。

本实验以巴旦木壳为吸附剂原料，通过ZnCl2改性、高温烧制、盐酸煮沸制备巴旦木壳活性炭，探究污染物质量浓度、活性炭用量以及吸附时间等因素对吸附效果的影响，为使用巴旦木壳吸附剂处理废水提供依据。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：巴旦木壳（新疆本地产），氯化锌（ZnCl2），活性艳蓝KN-R。仪器：SHA-BA 型恒温水浴振荡器，723PC 型可见分光光度计，FA2204B 电子天平，BAO-35A 精密鼓风干燥箱，XH-300A 型微波反应器，MF-0610P型陶瓷纤维马弗炉。

1.2 吸附剂的制备

制备0.7 mol/L ZnCl2溶液，将粉碎好的巴旦木壳粉末放置其中，在室温下振荡2 h，烘干后用马弗炉600 ℃活化50 min，再用盐酸溶液煮沸20 min，蒸馏水洗至中性并烘干，研磨成粉备用。

1.3 活性艳蓝KN-R 标准曲线

配制系列浓度活性艳蓝KN-R 溶液，在592 nm处测定吸光度A，绘制标准曲线（A=0.010 4x+0.326 0，相关系数R2=0.998 3）如图1所示。

图1 活性艳蓝KN-R 标准曲线

量取25 mL 活性艳蓝KN-R 模拟废水于100 mL锥形瓶中，加入活性炭吸附剂，置于微波炉中进行吸附处理，取上清液测吸光度，按下式计算吸附量和去除率［10］：

式中：ρ0和ρt分别为染料初始质量浓度、残留质量浓度，mg/L；V为溶液体积，L；m为吸附剂用量，g。

1.4 吸附等温线方程［10］

Langmuir吸附等温线方程如下：

式中：ρe为平衡时溶液中的染料质量浓度，mg/L；qe为染料在吸附剂上的平衡吸附量，mg/g；qm为饱和吸附量mg/g；KL为Langmuir 平衡常数。以ρe/qe-ρe作图可以得到一直线，通过直线的斜率可以得到qm值，通过截距可以求得KL值。

Freundlich 吸附等温线方程如下：

式中：ρe为平衡时染料在溶液中的质量浓度，mg/L；qe为染料在吸附剂上的平衡吸附量，mg/g；n、KF均为Freundlich 常数。以lnqe-lnρe作图可得一直线，通过直线的斜率可以得到n值，由截距可求得KF值。

1.5 吸附反应动力学方程［11-14］

准一级动力学方程如下：

式中：Qe和Qt分别表示吸附达到平衡时的平衡吸附量和时间为t时的单位吸附量，mg/g；K1为准一级动力学吸附速率常数，min-1。

准二级动力学方程如下：

式中：K2代表准二级吸附速率常数，g/mg/min，当t=0时，初始吸附速率h=K2Qe2。

2 结果与讨论

2.1 影响吸附性能的因素

2.1.1 波

将0.1 g 巴旦木壳吸附剂粉末及25 mL 20 mg/L活性艳蓝KN-R 溶液分别置于4 个100 mL 锥形瓶中，放入微波炉，分别在光波、光波组合c1、光波组合c2、微波条件下放置2 min，冷却至室温，抽滤，取上清液，分别在最大吸收波长592 nm 处测吸光度，并计算吸附量和去除率，结果如图2所示。微波是指1～100 nm、300～3 000 MHz 的电磁辐射线；光波利用辐射使水分子逸出，达到干燥目的［15］；微波-光波组合结合二者优势，避免温度不均匀、温度梯度大等问题。由图2 可知，光波辅助染料去除率最小，微波略高，光波与微波组合能提供吸附剂吸附染料的能量。经微波影响后，活性炭表面的碱性官能团数量增加，化学吸附能力提高，同时活性炭表面非极性增强，吸附活性位点增加，有利于染料的吸附［16］。光波组合c2（45%光波+55%微波）、光波组合c1（30%微波+70%光波）的去除率差异不大，分别为89.35%、87.45%，c2的去除率较高，是由于其微波含量与光波含量相差不大，避免了温度不均匀、温度梯度大等问题。单因素吸附实验时，选择光波组合c2辅助。

图2 不同波对巴旦木壳吸附剂吸附性能的影响

2.1.2 吸附时间

将0.1 g 巴旦木壳吸附剂粉末放入锥形瓶中，分别加入15 mL 20 mg/L 活性艳蓝KN-R 溶液，在最佳波条件下分别放置不同时间。冷却至室温，抽滤，取上清液，分别在最大吸收波长592 nm 处测吸光度，并计算吸附量和去除率，结果如图3所示。由图3 可以看出，随着吸附时间延长，吸附量增加，达到最大值后减小。吸附过程为物理吸附，通过吸附剂分子和吸附质分子间的扩散运动进行吸附［17］，0.5～1.0 min 时，吸附量、去除率增大，表明刚开始吸附时吸附剂表面上有较多孔隙结构，分子间碰撞运动剧烈，染料被吸附剂吸附［18］；1.0～1.5 min 时吸附量继续上升，1.5 min 时达到最大值；1.5～3.0 min 时吸附量下降，出现少量解吸附现象，吸附量、去除率减小。因此，吸附时间选择1.5 min。

图3 吸附时间对巴旦木壳吸附剂吸附性能的影响

2.1.3 染料质量浓度

取0.1 g 巴旦木壳吸附剂粉末于锥形瓶中，分别加入不同质量浓度活性艳蓝KN-R 溶液15 mL，在最佳波和最佳时间下处理后冷却至室温，抽滤，取上清液，分别在最大吸收波长592 nm 处测吸光度，并计算吸附量和去除率，结果如图4所示。

图4 染料质量浓度对巴旦木壳吸附剂吸附性能的影响

由图4 可以看出，吸附量随着染料质量浓度的增大而增大，当染料质量浓度超过400 mg/L 时，吸附量下降。吸附剂浓度较低时吸附量较高，浓度过高则吸附反应容易达到平衡。随着染料质量浓度增加，未被吸附的染料分子增多，去除率降低。综合考虑，染料质量浓度选择150 mg/L。

2.1.4 吸附剂用量

分别取不同质量活化后的巴旦木壳吸附剂粉末于锥形瓶中，各放入25 mL 150 mg/L 活性艳蓝KN-R溶液，在最佳波和最佳时间下处理后冷却至室温，抽滤，取上清液，分别在最大吸收波长592 nm 处测吸光度，并计算吸附量和去除率，结果如图5所示。

图5 吸附剂用量对巴旦木壳吸附剂吸附性能的影响

由图5 可知，去除率随着吸附剂用量的增加而增加，染料质量浓度固定，每单位体积吸附剂量不断增加，去除率不断上升。吸附量随着吸附剂用量的增大而减小，这取决于染料本身结构，吸附剂用量较少时易聚集，染料分子之间静电作用干扰比表面吸附基团小，单位质量巴旦木壳吸附剂的吸附量较低［19-20］。综合考虑，吸附剂用量选择0.2 g。

2.2 正交实验［21］

根据单因素实验结果，研究吸附时间、染料质量浓度、吸附剂用量对吸附性能的影响。由表1 可以看出，随着吸附时间延长和染料质量浓度增加，吸附量不断增加，但是吸附量随着吸附剂用量的增加先增加后减少。当吸附时间延长和染料质量浓度增加时，去除率也增加，但随着吸附剂用量增加，去除率先增大后减小。综合考虑，选择吸附时间2.0 min，染料质量浓度150 mg/L，吸附剂用量0.2 g。