活性炭吸附酸性鉻藍(lán)K的研究

王冬華

(渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，陜西渭南714099)

活性炭吸附酸性鉻藍(lán)K的研究

王冬華

(渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，陜西渭南714099)

以小麥秸稈為原料，通過復(fù)合物理活化法制備高比表面積活性炭.用所得活性炭為吸附劑，研究了其對酸性鉻藍(lán)K的吸附行為，考察了吸附劑用量、pH值、初始濃度、溫度與吸附時間對酸性鉻藍(lán)K的吸附容量與脫除效果的影響.結(jié)果表明，酸性鉻藍(lán)K在濃度50 g/m3、pH為2.02、溫度320 K、吸附劑用量0.1 g與吸附時間40 min時去除率達(dá)到99.9%.

高比表面積活性炭;酸性鉻藍(lán)K;分光光度法

0 引言

我國是染料生產(chǎn)大國，在染料生產(chǎn)和處理工藝中，有12%的染料以廢水形式排出.作為難治理的工業(yè)廢水，染料廢水具有色度高、成分復(fù)雜、難降解等特點，有一些染料廢水還具有致癌作用.［1］

活性炭具有豐富的孔結(jié)構(gòu)、高比表面積、很強(qiáng)的吸附能力，且原料來源廣、價格便宜，是理想的吸附材料.同大多數(shù)吸附劑相比，活性炭具有許多優(yōu)點:在分離和凈化過程中不需要預(yù)先嚴(yán)格除去水分;活性炭上吸附鍵強(qiáng)度較低，因此吸附分子的解吸較容易，吸附劑再生時能耗較低;活性炭化學(xué)穩(wěn)定性較高，能很好地抵抗酸堿腐蝕.目前制備活性炭的原材料非常廣泛，例如:核桃殼［2］、杏核［3］、稻殼［4］、無煙煤［5］、石油焦［6］、酚—甲醛［7］和合成樹脂［8］等.而小麥秸稈產(chǎn)量大，碳元素含量豐富，是制備高比表面積活性炭的優(yōu)質(zhì)材料.［9］

本文采用小麥秸稈為原材料，通過水蒸汽和二氧化碳復(fù)合物理活化法制備高比表面積活性炭，研究該活性炭對染料廢水中酸性鉻藍(lán)K的吸附行為，考察了活性炭用量、pH值、初始濃度、溫度及吸附時間對酸性鉻藍(lán)K的吸附容量與脫除效果的影響.

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

AS－3100Plus比表面孔徑測定儀(美國貝克曼庫爾特有限公司)、7230型分光光度計(上海精密科學(xué)儀器公司分析儀器廠)、pHS23C型精密pH計(上海偉業(yè)儀器廠)、立式加熱爐(常州市浩海鍋爐有限公司).

酸性鉻藍(lán)K、硫酸、氫氧化鈉均為分析純試劑，實驗用水為二次蒸餾水.

1.2 實驗方法

高比表面積活性炭制備過程:將小麥秸稈經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，酸堿洗滌，在管式爐內(nèi)500℃炭化、洗滌烘干［9］.稱取一定量的炭化料，加入立式加熱爐內(nèi)，通入氮氣保護(hù)氣30 min，然后從室溫以10℃/min升溫至900℃，將氮氣切換為水蒸汽和二氧化碳?xì)?，開始活化［10］.在900℃反應(yīng)6 h后，停止加熱，關(guān)閉水蒸汽和二氧化碳?xì)?，通入氮氣直至爐內(nèi)溫度降為室溫，取出，洗至中性后烘干稱重.

1.3 測試方法

本實驗采用分光光度法［11］測定活性炭對酸性鉻藍(lán)K的吸附行為.在特定波長下，有色溶液對光的吸收程度與濃度符合朗伯比爾定律:A=εbc.其中:ε為吸光系數(shù)(僅與入射光的波長、溶液的性質(zhì)和溫度有關(guān));b為被測溶液的液層厚度(吸收池的光程);c為溶液吸光組分的濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 活性炭的表征

圖1和圖2是所得活性炭N2吸附等溫線和孔分布圖.由圖1可知，該吸附等溫線是典型的I型吸附等溫線，比表面積為1058 m2/g.孔徑用SLD程序包計算［10］，結(jié)果如圖2所示，所得活性炭以微孔為主，其孔徑主要分布在1.1～2.5 nm之間.

圖1 活性炭的吸附等溫線

圖2 活性炭的孔徑分布

采用物理活化法制備高比表面活性炭時，秸稈內(nèi)部大量碳原子與二氧化碳、水蒸汽活化劑發(fā)生反應(yīng)后以氣態(tài)形式脫離秸稈，因此在原有碳原子位置就形成了微孔.在充分的反應(yīng)時間內(nèi)，秸稈內(nèi)大多數(shù)碳原子都參與了反應(yīng)，于是在秸稈內(nèi)部形成了豐富的微孔結(jié)構(gòu).

2.2 活性炭對酸性鉻藍(lán)K的吸附

2.2.1 活性炭用量對酸性鉻藍(lán)K的吸附影響

在 20 mL 50 g/m3酸性鉻藍(lán) K 染料溶液中，分別加入 0.025 g、0.035 g、0.050 g、0.100 g、0.150 g、0.200 g、0.300 g的活性炭，置于水浴恒溫振蕩器中震蕩2 h，溫度恒定為290 K，結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，隨著吸附劑用量的增加，去除率有所上升，但吸附容量明顯下降，在活性炭用量大于0.1 g后去除率沒有明顯提高，去除率可達(dá)99.9%，這是因為活性炭用量為0.1 g時，酸性鉻藍(lán)基本被去除，而隨著活性炭使用量的增加，單位吸附量明顯下降.因此活性炭的最佳使用量為0.1 g.

圖3 吸附劑用量對酸性鉻藍(lán)K的吸附影響

圖4 pH對酸性鉻藍(lán)K的吸附影響

2.2.2 pH對酸性鉻藍(lán)K的吸附影響

準(zhǔn)確移取8份20 mL 50 g/m3酸性鉻藍(lán)K于50 mL錐形瓶中，調(diào)節(jié)其pH值分別為1.02、2.02、2.99、4.99、6.09、6.86、8.02 與9.87，將0.1 g 活性炭加入，并在恒溫水浴振蕩器中、溫度為290 K 時震蕩2 h，結(jié)果如圖4所示.從圖4可以看出，在pH=2.02時，活性炭對酸性鉻藍(lán)K的吸附效果最好，脫除效率可達(dá)99%;pH＜2.02時，隨著pH值的增大，吸附容量和脫除效率略有增加;pH＞2.02時，隨著pH值的增加，吸附容量減小，脫除效率明顯降低.由此說明酸性鉻藍(lán)K在酸性環(huán)境中更易于被活性炭吸附，原因可能是酸性鉻藍(lán)K在堿性溶液中主要以活潑的離子形式存在，不利于活性炭的吸收［12］.

2.2.3 吸附時間對酸性鉻藍(lán)K的吸附影響

準(zhǔn)確量取7份20 mL 50 g/m3酸性鉻藍(lán)K于錐形瓶中，分別加入0.1 g吸附劑，將pH調(diào)至2.02，在290 K水浴恒溫振蕩器中分別震蕩 1 min、3 min、5 min、10 min、20 min、40 min、90 min.實驗結(jié)果如圖 5 所示.圖5表明，當(dāng)時間小于40 min時吸附容量和去除率隨時間的增加而顯著增加，40 min左右時對酸性鉻藍(lán)K吸附效果較好;當(dāng)時間大于40 min時，隨著時間的增加吸附容量和去除率變化不大.因此，最佳吸附時間為40 min.

2.2.4 酸性鉻藍(lán)K初始濃度對其吸附的影響

量取 8 份濃度分別為 50 g/m3、100 g/m3、200 g/m3、300 g/m3、400 g/m3、500 g/m3、600 g/m3、700 g/m320 mL酸性鉻藍(lán)K溶液于錐形瓶中，加入0.1 g活性炭，調(diào)節(jié)pH至2.02，在290 K水浴恒溫振蕩器震蕩40 min，結(jié)果如圖6所示.圖6表明，隨著濃度的增大，去除率逐步降低，吸附容量逐步增加，這是因為隨著濃度的增加，活性炭吸附趨于飽和，為了便于考查其他因素，實驗定濃度為50 g/m3.

圖5 時間對酸性鉻藍(lán)K的吸附影響

圖6 濃度對酸性鉻藍(lán)K的吸附影響

圖7 溫度對酸性鉻藍(lán)K的吸附影響

2.2.5 溫度對酸性鉻藍(lán)K的吸附影響

準(zhǔn)確移取6份濃度為50 g/m320 mL酸性鉻藍(lán)K溶液于50 mL錐形瓶中，加入0.1 g活性炭，調(diào)節(jié)pH至2.02，分別在溫度300 K、305 K、310 K、315 K、320 K、325 K 水浴恒溫振蕩器中震蕩40 min，結(jié)果如圖7所示.圖7表明，溫度在300～320 K之間，去除率呈增加趨勢;溫度大于320 K時，去除率變化不大，說明在320 K時活性炭對酸性鉻藍(lán)K具有較好的脫除效果.

3 結(jié)語

以小麥秸稈為原料，采用復(fù)合物理活化法制備了比表面積為1058 m2/g的活性炭，當(dāng)活性炭用量為0.1 g、pH為2.02、酸性鉻藍(lán)K的濃度為50 g/m3、吸附時間為40 min、溫度為320 K時，活性炭對酸性鉻藍(lán)K具有最好的脫除效果.

［1］彭書傳，謝晶晶，慶承松，等.負(fù)載TiO2凹凸棒石光催化氧化法處理酸性品紅染料廢水［J］.硅酸鹽學(xué)報，2006，34(10):1208－1212.

［2］張曉昕，郭樹才，鄧貽釗.高比表面積活性炭的制備［J］.材料科學(xué)與工程，1996，14(4):34－37.

［3］Hayashi J，Horikawa T，Takeda I，et al.Preparing activated carbon from various nutshells by chemical activation with K2CO3［J］.Carbon，2002，40(13):2381－2386.

［4］Chang H Y，Park Y H，Park C R.Effect of pre-carbonization on porosity development of activated carbons from rice straw［J］.Carbon，2001，39(4):559－567.

［5］孫仲超，張文輝，杜銘華，等.壓力對太西無煙煤制活性炭的炭化和活化過程的影響［J］.煤炭學(xué)報，2005，30(3):353－357.

［6］楊紹斌，胡浩權(quán).大比表面積炭質(zhì)吸附劑的表面及孔隙發(fā)展［J］.燃料化學(xué)學(xué)報，2000，28(5):473－477.

［7］Teng H S，Wang S C.Preparation of porous carbons from phenol-formaldehyde resins with chemical and physical activation［J］.Carbon，2000，38(6):817－824.

［8］Teng H S，Wang S C.Influence of oxidation on the preparation of porous carbons from phenol-formaldehyde resins with KOH activation［J］.Ind.Eng.Res，2000，39(3):673－678.

［9］劉曉權(quán)，聶志強(qiáng)，李計寶.用植物秸稈制備活性炭的研究［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2007，(2):23－24.

［10］蘇偉.椰殼基微孔活性炭制備與表征研究［D］.天津:天津大學(xué)博士學(xué)位論文，2003.

［11］王強(qiáng)，范雪榮，曹旭勇.雙波長分光光度法測定雙組分染液中染料含量［J］.印染，2001，(9):28－30.

［12］韓照祥，陳科，朱婷.改性殼聚糖對染料廢水的脫色研究［J］.水生態(tài)學(xué)雜志，2009，(3):42－47.

Study on Adsorption Behavior of Acid Chrome Blue K by Activated Carbon

WANG Dong-hua
(School of Chemistry and Life Sciences，Weinan Normal University，Weinan 714099，China)

Activated carbon was prepared from wheat straw with the coupled physical activation method.Adsorption behavior of Acid Chrome Blue K on activation carbon was studied.Effects of adsorbent amount，pH，initial concentration，temperature and contact time on adsorption of Acid Chrome Blue K were investigated.The results show that activated carbon have better adsorption capacity and the removal rate is up to 99.94%at pH value of 2.02，adsorbent amount 0.1 g，temperature 320 K，the initial concentration of Acid Chrome Blue K 50 g/m3and contact time 40 minutes.

activated carbon;Acid Chrome Blue K;Spectrophotometry

O657.3

A

1009－5128(2014)03－0029－04

2013－12－23

陜西省教育廳科學(xué)研究計劃項目:廢棄一次性餐具制備碳化硅納米材料的研究(12JK0458);渭南市自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目:小麥秸稈制備碳化硅納米材料的研究(2012JCYJ－3);渭南師范學(xué)院研究生專項科研項目:廢棄一次性木筷制備碳化硅納米材料(12YKZ049)

王冬華(1978—)，男，山西汾陽人，渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院副教授，工學(xué)博士，主要從事納米材料的制備及性能研究.

【責(zé)任編輯 曹 靜】