(寧夏師范學(xué)院 寧夏 固原 756000)

改性巴旦木核殼吸附性能的研究

杜偉馬巖趙冬妹王?；?/p>

(寧夏師范學(xué)院寧夏固原756000)

本研究以巴旦木核殼為原料,采用化學(xué)活化法得到改性實驗后的巴旦木核殼活性炭,考察了巴旦木核殼活性炭加入量,活化溫度,活化時間等因素對活性炭的吸附性能的影響,通過四因素三水平試驗和響應(yīng)面分析法確定了巴旦木核殼活性炭吸附作用的最佳工藝條件, 得出當(dāng)巴旦木核殼活性炭的用量為15mg、作用時間為135min、吸附溫度為50℃時,核殼活性炭對亞甲基藍(lán)的去除效果較好，結(jié)果表明:在此工藝條件下,亞甲基藍(lán)吸附值為200mg/L。動力學(xué)研究顯示,對亞甲基藍(lán)的吸附能夠在120 min內(nèi)迅速達(dá)平衡,吸附行為符合準(zhǔn)二級動力學(xué)方程,表明該吸附過程以化學(xué)吸附為主。吸附等溫線研究表明,與Freundlich模型相比,實驗數(shù)據(jù)擬合更符合Langmuir吸附等溫模型。

巴旦木核殼；改性；吸附效果；影響因素；亞甲基藍(lán)溶液

一、實驗部分

(一)試劑和儀器：

SX2-4-10型馬弗爐,UV-6100型紫外可見分光光度計,SHZ-B型回旋式水浴恒溫振蕩器,FA1004型電子天平,pHS-3C型精密pH計,DNG-9036A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

(二)測定亞甲基藍(lán)的標(biāo)準(zhǔn)曲線:

1、亞甲基藍(lán)系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制:

準(zhǔn)確稱取與公式計算所需亞甲基藍(lán)干燥品質(zhì)量0.500g相當(dāng)?shù)奈锤稍锲?，將稱取的亞甲基藍(lán)稱準(zhǔn)至0.001g溶解60±10℃水中待全部溶解后冷卻到室溫移入1000ml的容量瓶中稀釋至標(biāo)線。另分別移取適量該溶液配制成系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2、繪制亞甲基藍(lán)溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

查閱文獻(xiàn)可知亞甲基藍(lán)吸收光譜曲線的最大吸收波長為665nm。用分光光度計測定系列標(biāo)準(zhǔn)溶液在此處的吸光度值測定結(jié)果如表所示注標(biāo)準(zhǔn)原溶液的濃度為531mg/l.

以濃度C對吸光度A作圖。從圖中可以看出C-A在較寬的濃度范圍內(nèi)滿足線性關(guān)系兩者關(guān)系式為C=3.9319A相關(guān)系數(shù)為R2=0.9999滿足該關(guān)系式的線性范圍為0-4mg/l。在該線性范圍內(nèi)通過C-A的關(guān)系式可以由測得的吸光度值求出溶液的濃度。

二、巴旦木核殼的改性及制備方法：

將巴旦木殼浸泡清洗干凈后烘干、粉碎,過篩孔0.55 mm篩備用。稱取10 g(精確至0.1 mg)原料放入錐形瓶中,加入20 g的氯化鋅作為活化劑,加入100 m L去離子水?dāng)嚢杌靹?之后塞上塞子,置55 ℃、轉(zhuǎn)速為150 r/min的恒溫振蕩器中旋轉(zhuǎn)浸漬4 h。

將浸漬好的料液放入105 ℃的電熱鼓風(fēng)烘箱中干燥6 h,再取出放入馬弗爐,升溫至600 ℃,恒溫炭化、活化80 min。將試樣從馬弗爐中取出,并用(1+ 9)鹽酸溶液浸泡一段時間,再用去離子水洗滌至中性,過濾后放入105 ℃的電熱鼓風(fēng)烘箱中干燥6h至恒量,在干燥器中冷卻后,將試樣研磨并過篩孔0.25 mm篩網(wǎng),即可得到改性巴旦木吸附劑。

三、吸附實驗過程：

在100mL錐形瓶中加入一定量的巴旦木核殼粉, 再加入20mL一定濃度的吸附質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液, 調(diào)節(jié)溶液pH值, 密閉瓶口, 在一定溫度下采用SHZ-B型回旋式水浴恒溫振蕩器對樣品進(jìn)行振蕩吸附一定時間, 離心分離, 取上清液, 采用UV-6100型紫外可見分光光度計測定濾液中MB濃度, 測定波長為665nm。吸附量、吸附率計算如下：

(1)

(2)

Co和Ce分別表示吸附質(zhì)的初始濃度和平衡濃度, mg/L;m為吸附劑的質(zhì)量, mg;V為溶液體積單位為ml。

(一)亞甲基藍(lán)的初始濃度對吸附效果的影響：

目標(biāo)對象的初始濃度是影響材料吸附性能的又一重要因素，它是克服目標(biāo)對象從液相至固相傳質(zhì)阻力的重要驅(qū)動力。不同MB初始質(zhì)量濃度為0 ～ 200mg/L時，隨著溶液中MB初始濃度的增加，到達(dá)平衡時巴旦木核殼活性炭對MB的吸附量先急劇增加，然后保持不變。這是因為當(dāng)溶液中吸附材料的總量保持不變時，隨著MB初始濃度的增加，MB與吸附劑表面的接觸機(jī)會增加，可充分利用吸附劑表面的吸附位點，有利于吸附劑對MB的有效吸附; 當(dāng)MB濃度增加到一定程度時，由于體系中吸附劑的活性位點達(dá)到吸附飽和①，巴旦木核殼活性炭對MB 的吸附量就保持平衡不再增加。所以當(dāng)反應(yīng)時間為30 min 時，200 mg/L的初始濃度可獲得平衡吸附。當(dāng)初始濃度200mg /L 時，吸附率達(dá)到最高，吸附率為97.68%，當(dāng)初始濃度>200 mg /L時，吸附率降低。

(二)吸收劑的加入量對吸附效果的影響：

吸附劑用量對改性巴旦木核殼吸附MB的影響當(dāng)吸附劑用量為10～50 mg，MB初始質(zhì)量濃度為100 mg/L時，改性巴旦木核殼對MB的吸附。隨著改性巴旦木核殼添加量的增加，對MB的吸附率呈上升趨勢，直至達(dá)到定量吸附( 90%以上)。這是因為吸附材料提供了更多的吸附活性位點而體系中MB 的總量不變，說明改性巴旦木核殼對MB具有較好的吸附效果。對于初始質(zhì)量濃度為100 mg/L的MB溶液，15mg的改性巴旦木核殼即可達(dá)到定量吸附。

隨著巴旦木殼核殼用量由10mg增至50mg,亞甲基藍(lán)的去除率由42.1%增至94.9%,這是由于增加巴旦木核殼的用量可以增多吸附材料的吸附位點,促進(jìn)了其對亞甲基藍(lán)的吸附。因此,綜合經(jīng)濟(jì)角度考慮,實驗選擇巴旦木核殼的最適宜用量為15mg。

(三)溫度對吸附效果的影響：

在30、40和50 ℃條件下測定了活性炭對亞甲基藍(lán)溶液吸附的影響，試驗結(jié)果表明，活性炭對亞甲基藍(lán)溶液的吸附量隨溫度的增加成比例的增大，從235.041升至287.307 mg·g-1。這是因為升高溫度加快了亞甲基藍(lán)的遷移速度，促進(jìn)了活性炭對亞甲基藍(lán)分子的吸附；同時這是一個吸熱的反應(yīng)，升高溫度能使活性炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹作用，從而穿透亞甲基藍(lán)分子，也使吸附量②增大。巴旦木殼核殼對亞甲基藍(lán)吸附容量的變化,由實驗結(jié)果得知。當(dāng)亞甲基藍(lán)的初始質(zhì)量濃度為200mg·L,溫度由30℃升至50℃時, 巴旦木核殼對亞甲基藍(lán)的吸附容量由235.041升至287.307 mg·g-1，繼續(xù)提升溫度, 巴旦木核殼對亞甲基藍(lán)的吸附容量無明顯提高,因此實驗選擇最佳溫度為50℃。

采用Langmuir和Freundlich③兩種等溫吸附模型對吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合方程式如下：

Ce/Qe=1/(KLQm)+Ce/Qm

lnQe=lnKF+lnCe/n

式中Ce為亞甲基藍(lán)溶液的平衡濃度(mg·L);Qe和Qm分別為亞甲基藍(lán)的平衡吸附容量(mg·g)與飽和吸附容量(mg·g);KL為Langmuir平衡系數(shù)(L·mg);KF和n分別為Freundlic常數(shù)。

從實驗數(shù)據(jù)可知，Langmuir等溫吸附模型能夠更好地擬合實驗結(jié)果,相關(guān)系數(shù)(r)不低于0.996,表明亞甲基藍(lán)在巴旦木核殼上的吸附是單分子層吸附,Freundlich方程指數(shù)n在1-10之間,說明亞甲基藍(lán)在巴旦木核殼上的吸附是有利的。

(四)吸附過程對時間的依賴性：

通過預(yù)設(shè)定的時間間隔，在30 mL的500mg·L-1的亞甲基藍(lán)溶液加入15mg活性炭，于30℃測定時間對吸附量的影響，最后通過改變溫度(分別為30，40和50 ℃)，考察了吸附時間對巴旦木核殼吸附亞甲基藍(lán)溶液的影響。結(jié)果表明,在120 min內(nèi), 巴旦木核殼的吸附容量隨時間的延長而增大,120 min后吸附趨于平衡,表明巴旦木核殼的吸附容量達(dá)到飽和。通過實驗得出吸附時間宜控制在135 min。

In(qe-qt)=Inqe-k1t

(3)

t/qt=1/k2qe2+t/qe

(4)

qt=kpt1/2+c

(5)

準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級動力學(xué)方程擬合結(jié)果表明,采用準(zhǔn)二級動力學(xué)模型計算的吸附容量值(Qe,cal)為43.9 mg·g,與實驗測得的吸附容量值(Qe,exp)41.7 mg·g非常接近,且相關(guān)系數(shù)(r)為0.998 8,明顯大于準(zhǔn)一級動力學(xué)方程,因此準(zhǔn)二級動力學(xué)模型能更好地描述巴旦木核殼對亞甲基藍(lán)的吸附過程。由此說明巴達(dá)木核殼吸附亞甲基藍(lán)的過程以化學(xué)吸附為主。

四、實驗結(jié)論：

1、氯化鋅浸漬活化法制備的巴旦木核殼,在吸附溫度為50 ℃、活性炭用量為15mg、溶液pH為2、吸附時間為135 min、對亞甲基藍(lán)的初始質(zhì)量濃度為200 mg /L的條件下, 亞甲基藍(lán)的吸附去除率最大能夠達(dá)到97.68%, 單位質(zhì)量巴旦木核殼對亞甲基藍(lán)吸附量也能達(dá)到97.68mg/g。對亞甲基藍(lán)具有良好的吸附能力。影響巴旦木核殼對亞甲基藍(lán)的吸附率的因素依次為: 吸附時間>初始濃度>溫度>吸附劑用量。

2、改性巴旦木核殼對亞甲基藍(lán)吸附的最佳工藝條件為: 溫度為50℃，巴達(dá)木核殼吸附劑的量為15mg，初始濃度為200 mg /L，吸附的時間為135 min。在最佳的工藝條件下，吸附率達(dá)97.68%。

3、在改性后巴旦木核殼對亞甲基藍(lán)染料吸附作用中，隨著溫度升高吸附率有所降低，說明吸附作用是一個吸熱反應(yīng)。等溫吸附符合Langmuir與Freundlich吸附方程。Langmuir方程擬合相關(guān)系數(shù)R均達(dá)到0.99以上,可推測改性巴旦木核殼的吸附是在其表面上的單層吸附,是屬于一種化學(xué)吸附,且吸附過程中發(fā)生吸熱反應(yīng)。

指導(dǎo)教師:趙紅建

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【注解】

①發(fā)生此現(xiàn)象, 推斷是巴旦木核殼粉表面吸附不均勻所導(dǎo)致。在吸附初期, 亞甲基藍(lán)分子首先占據(jù)表面吸附勢較大的位點, 但是亞甲基藍(lán)分子的表面覆蓋率和微蓋率和微孔的填充度隨著吸附量的增大而增大。

②巴旦木核殼在3個不同溫度下吸附亞甲基藍(lán)的RL值均<1, 通過查閱文獻(xiàn)可知:0﹤RL﹤1, 表明有利于吸附;RL=0, 不可逆;RL=1, 呈線性吸附;RL﹥1, 表明巴旦木核殼除去水溶液中的亞甲基藍(lán)是可行的。

③Freundlich模型中1/n代表偏離線性程度。1/n﹤1時, 說明易于吸附;1/n﹥1時, 說明難以吸附。

項目名稱:改性巴旦木核殼吸附性能的研究

項目類別:自然科學(xué)類

項目負(fù)責(zé)人:杜偉

杜偉(1995-)，男，漢族，寧夏回族自治區(qū)固原市人，大學(xué)本科生，寧夏師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)。