黃麻纖維活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)和甲基橙溶液的吸附性能研究*

劉其霞 何麗芬 楊佳慧 季 濤 高 強(qiáng)

(南通大學(xué)炭纖維應(yīng)用技術(shù)研究所，南通，226019)

1 試驗(yàn)

1.1 試劑

所用試劑有:磷酸、濃鹽酸、氫氧化鈉、MB、MO，均為市售分析純產(chǎn)品;蒸餾水，氮?dú)?。MB與MO的相關(guān)參數(shù)列于表1［9-10］。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

V-1200型紫外可見分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)有限公司)，BS124S型精密電子天平(北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)，SHA-C型水浴恒溫振蕩器(金壇市恒豐儀器廠)，GSL-1400X型真空管式爐(合肥科晶材料技術(shù)有限公司)。

表1 MB與MO相關(guān)參數(shù)

1.3 黃麻纖維活性炭樣品的制備

根據(jù)前期制備工藝優(yōu)化試驗(yàn)得出的結(jié)果，本試驗(yàn)使用的黃麻纖維活性炭樣品的制備方法為:稱取10 g干燥的黃麻纖維，加入200 mL濃度為4 mol/L的磷酸溶液中混合攪拌均勻，煮沸5 h，取出烘干后，置于真空管式爐;在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，升溫至450℃活化1 h，然后等產(chǎn)物冷卻至室溫后將其取出，用蒸餾水洗至中性后烘干即可。采用低溫氮吸附法測(cè)試得出，該工藝條件下制得的黃麻纖維活性炭比表面積為1 484 m2/g，平均孔徑為3.27 nm。

1.4 活性炭樣品對(duì)染料溶液吸附性能的測(cè)試

1.4.1 染料吸光度—濃度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的繪制

精確配制一定濃度的MB和MO溶液，以蒸餾水作為參比液，采用紫外可見分光光度計(jì)，分別在660和464 nm波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光度，繪制出兩種染料的吸光度—濃度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，并對(duì)其進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖1和表2所示。

表2 染料的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線方程

1.4.2 染料去除率和吸附量的測(cè)定

（2）密度。在所有患者中，密度表現(xiàn)均勻的患者有10例，比例為27.8%；空泡征患者有8例，比例為22.2%；支氣管氣像的患者有6例，比例為16.7%；蜂窩狀改變的患者有2例，其比例為5.56%。鈣化的患者有4例，其比例為11.11%；空洞的患者有2例，其比例為5.56%；而密度不均勻的患者有8例，其比例為22.22%。36例周圍型小肺癌患者中，空泡征表現(xiàn)為結(jié)節(jié)內(nèi)點(diǎn)狀低密度影，其直徑較小，處于1mm至2mm之內(nèi)；而結(jié)節(jié)內(nèi)部管狀氣體密度影，則是支氣管氣像，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)分支的表現(xiàn)；鈣化的密度表現(xiàn)為細(xì)砂粒樣，在分布特點(diǎn)上是自中或者是偏自的分布形式。

將一定量的活性炭投入裝有一定體積和濃度的染料溶液的燒杯中，在特定溫度和pH值下以150 r/min的速度振蕩一定時(shí)間后，過濾于試管中。采用分光光度計(jì)測(cè)定剩余染料的吸光度，得出剩余染料的質(zhì)量濃度，并按式(1)計(jì)算染料的去除率η:

圖1 兩種染料溶液的吸光度—濃度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

式中:C0——初始染料濃度，mg/L;

C——剩余染料濃度，mg/L。

染料的吸附量計(jì)算公式如下［10］:

式中:Q——吸附量，mg/g;

C0——初始染料濃度，mg/L;

C——剩余染料濃度，mg/L;

V——染料溶液的體積，L;

m——加入的活性炭的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 染料溶液初始濃度對(duì)黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

為了考察染料溶液初始濃度對(duì)黃麻纖維活性炭吸附效果的影響，在裝有50 mL初始濃度分別為200、300、400、500、600 mg/L 的 MB 或 MO 溶液的燒杯中，分別投入0.1 g黃麻纖維活性炭，調(diào)節(jié)溶液pH值為7，在25℃條件下振蕩2 h后過濾。分析溶液中剩余MB或MO的濃度，計(jì)算出染料的去除率和吸附量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 染料溶液初始濃度對(duì)黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

由圖2可知，隨著染料溶液初始濃度的增大，黃麻纖維活性炭對(duì)染料的去除率呈下降趨勢(shì)，當(dāng)初始濃度超過500 mg/L時(shí)，下降趨勢(shì)明顯加快;染料吸附量隨初始濃度的增加而增大，但逐漸趨緩。這是由于活性炭用量一定時(shí)，活性炭對(duì)染料的吸附量是有限的，當(dāng)初始濃度達(dá)到500 mg/L時(shí)，其對(duì)染料的吸附已基本達(dá)到飽和。所以隨著染料溶液初始濃度繼續(xù)增大，雖然仍有部分染料被吸附導(dǎo)致吸附量略有增大，但去除率卻大幅降低。

2.2 活性炭投加量對(duì)黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

為了考察活性炭投加量對(duì)黃麻纖維活性炭吸附效果的影響，在裝有50 mL初始濃度為500 mg/L的MB或MO溶液的燒杯中，分別投入0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 g 黃麻纖維活性炭，調(diào)節(jié)溶液 pH值為7，在25℃條件下振蕩2 h后過濾。分析溶液中剩余MB或MO的濃度，計(jì)算出染料的去除率和吸附量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 活性炭投加量對(duì)染料去除率和吸附量的影響

由圖3可知，在活性炭投加量較小時(shí)，隨著活性炭投加量的增加，黃麻纖維活性炭對(duì)染料的去除率和吸附量均大幅提高。如當(dāng)活性炭投加量為0.05 g時(shí)，活性炭對(duì) MB的去除率為 78.34%，吸附量為170.32 mg/g;當(dāng)投加量提高至0.10 g時(shí)，其對(duì)MB的去除率提高到99.43%，吸附量則達(dá)到248.58 mg/g。但是當(dāng)活性炭投加量超過0.10 g時(shí)，MB的去除率和吸附量增加趨勢(shì)逐漸變緩。這主要是因?yàn)樵谕都恿繛?.10 g時(shí)，活性炭對(duì)染料的吸附已基本達(dá)到了平衡。

2.3 吸附時(shí)間對(duì)黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

為了考察吸附時(shí)間對(duì)黃麻纖維活性炭吸附效果的影響，在裝有50 mL初始濃度為500 mg/L的MB或MO溶液的燒杯中，分別投入0.1 g黃麻纖維活性炭，調(diào)節(jié)溶液pH值為7，在25℃條件下分別振蕩 30、60、90、120、150 min 后過濾。分析溶液中剩余MB或MO的濃度，計(jì)算出染料的去除率和吸附量，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，活性炭對(duì)兩種染料溶液的吸附速率存在較大差異。在吸附的初始階段，MB的吸附速率明顯高于MO，當(dāng)吸附時(shí)間為30 min時(shí)，MB的吸附量為 238.34 mg/g，而 MO的吸附量?jī)H為202.65 mg/g。之后，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，MB的吸附速率逐漸趨緩，去除率和吸附量緩慢上升，在吸附時(shí)間為2 h時(shí)吸附基本達(dá)到平衡。這可能是因?yàn)樵谖降某跏茧A段活性炭對(duì)染料分子的吸附是一種分子表面之間的作用;隨后，染料分子借助孔的擴(kuò)散作用逐漸由活性炭表面進(jìn)入活性炭孔隙內(nèi);隨著活性炭對(duì)染料分子吸附量的增大，活性炭孔隙內(nèi)染料分子逐漸增多，大量的吸附位被占據(jù)，從而導(dǎo)致吸附速度逐漸減慢，因而需要較長(zhǎng)的時(shí)間來達(dá)到吸附平衡［11］。然而MO在慢速吸附階段的吸附速率反而有所上升，甚至超過了MB。這主要是由兩種染料分子的尺寸不同而引起的，由表1可知，MO的分子尺寸大于MB分子，因此在吸附的初始階段因受到較大的阻力而吸附速率較慢，吸附量較小，慢速吸附階段活性炭?jī)?nèi)部仍有大量吸附位未被占據(jù)，時(shí)間的延長(zhǎng)有利于分子的擴(kuò)散，因此在慢速吸附階段吸附速率反而加快［10］。

圖4 吸附時(shí)間對(duì)染料去除率和吸附量的影響

2.4 水浴溫度對(duì)黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

為了考察水浴溫度對(duì)黃麻纖維活性炭吸附效果的影響，在裝有50 mL初始濃度為500 mg/L的MB或MO溶液的燒杯中，投入0.1 g黃麻纖維活性炭，調(diào)節(jié)溶液 pH 值為7，分別在25、30、35、40、45℃的水浴溫度條件下振蕩2 h后過濾。分析溶液中剩余MB或MO的濃度，計(jì)算出染料的去除率和吸附量，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著水浴溫度的升高，染料的去除率和吸附量變化不大，但總體上呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢(shì)。這一方面是因?yàn)闇囟鹊纳?，使染料分子的活躍度增加，從而加快了染料分子的遷移速度，促進(jìn)了活性炭對(duì)染料分子的吸附;另一方面是因?yàn)闇囟鹊纳吣苁够钚蕴績(jī)?nèi)部的孔隙膨脹，起到了一定的擴(kuò)孔作用，從而使活性炭的吸附量增大［12］。

圖5 水浴溫度對(duì)染料去除率和吸附量的影響

2.5 染料溶液pH值對(duì)黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

為了考察染料溶液pH值對(duì)黃麻纖維活性炭吸附效果的影響，在裝有50 mL初始濃度為500 mg/L的MB或MO溶液的燒杯中，投入0.1 g黃麻纖維活性炭，調(diào)節(jié)溶液 pH 值分別為 2、4、6、8、10，在25℃條件下振蕩2 h后過濾。分析溶液中剩余MB或MO的濃度，計(jì)算出染料的去除率和吸附量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 染料溶液pH值對(duì)染料去除率和吸附量的影響

從圖6可以看出，隨著染料溶液pH值的增加，黃麻纖維活性炭對(duì)MB的去除率和吸附量逐漸增加，當(dāng)pH＜6時(shí)，其增加趨勢(shì)較為明顯;當(dāng)pH＞6時(shí)，其增加趨勢(shì)較為平緩。由此可知，對(duì)MB的吸附在染料溶液接近中性(pH=6)時(shí)最佳，去除率為99.33%，吸附量為248.43 mg/g。這主要是因?yàn)镸B為陽離子型染料，溶于水呈一價(jià)有機(jī)陽離子，在酸性條件下，活性炭表面帶正電荷的基團(tuán)對(duì)MB的吸附產(chǎn)生了一定的遏制作用，而在中性條件下，活性炭表面的極性會(huì)因溶液中雙電荷層的形成而發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其對(duì)MB的去除率大幅提高［13-14］。從圖6還可以看出，隨著染料溶液pH值的增加，黃麻纖維活性炭對(duì)MO的去除率和吸附量逐漸減小，在強(qiáng)酸條件(pH=2)下，活性炭對(duì)其吸附效果最好，去除率為95.42%，吸附量為213.78 mg/g。

2.6 黃麻纖維活性炭對(duì)MB和MO吸附機(jī)理的探討

將圖2～圖6進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，黃麻纖維活性炭對(duì)MB的吸附量均高于MO，產(chǎn)生這種差異的原因主要是由于活性炭對(duì)染料的吸附效果與染料分子尺寸、染料分子與活性炭表面作用力等因素密切相關(guān)。由表1可知，MB的和分子尺寸為1.43 nm ×0.55 nm ×0.16 nm，MO 的分子尺寸為1.47 nm ×0.53 nm ×0.53 nm，兩種分子尺寸均小于黃麻纖維活性炭樣品的平均孔徑(3.27 nm)，因而都能夠進(jìn)入活性炭的內(nèi)部孔隙進(jìn)行擴(kuò)散。但是與MO分子相比，MB分子所占空間較小，因而能被更小的孔隙吸附，并且由于其在擴(kuò)散過程中受到的阻力較小，更易進(jìn)入活性炭?jī)?nèi)部與吸附位結(jié)合，因此具有更高的吸附量［10，15］。

除染料分子尺寸外，活性炭表面官能團(tuán)會(huì)影響染料分子與活性炭表面的作用力，因而對(duì)吸附量也有一定的影響［16］。通常表面官能團(tuán)分為酸性、堿性和中性三種，在活性炭熱解過程中，黃麻纖維在磷酸的作用下表面會(huì)生成酮和酯等含有羰基的酸性官能團(tuán)，它們能促進(jìn)活性炭對(duì)堿性物質(zhì)的吸附，而對(duì)酸性物質(zhì)吸附不利。而MB是一種堿性染料，MO是一種酸性染料，因而黃麻纖維活性炭對(duì)MB的吸附量要高于MO。

3 結(jié)語

本文對(duì)黃麻纖維活性炭對(duì)MB和MO染料溶液的吸附性能進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論:

(1)隨著染料溶液初始濃度的增加，活性炭對(duì)染料的去除率逐漸降低，吸附量隨初始濃度的增加而增大，但增量逐漸減緩;隨著活性炭投加量的增加，活性炭對(duì)染料的去除率和吸附量逐漸增大，達(dá)到吸附平衡后，增幅逐漸變小;染料的去除率和吸附量隨吸附時(shí)間的延長(zhǎng)均逐漸增大，在吸附初始階段，活性炭對(duì)MB的吸附速率明顯高于MO，而在慢速吸附階段，活性炭對(duì)MO的吸附速率反而高于MB;隨著水浴溫度的升高，染料的去除率和吸附量變化不大;染料溶液pH值對(duì)兩種染料的去除率和吸附量的影響存在較大差異，MB的去除率和吸附量隨染料溶液pH值增加而增大，而MO的去除率和吸附量隨之減小。

當(dāng)MB溶液接近中性(pH=6)時(shí)，活性炭對(duì)MB的吸附效果最佳;當(dāng)MO溶液為強(qiáng)酸(pH=2)時(shí)，活性炭對(duì)MO的吸附效果最好。

(2)受染料分子尺寸、染料分子與活性炭表面作用力等因素的影響，黃麻纖維活性炭對(duì)MB的吸附效果比對(duì)MO的吸附效果要好。

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