殼聚糖質(zhì)活性炭對亞甲基藍的吸附性能研究

宋娟，李曉暉，寧喜斌

(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306)

活性炭是一種比較特殊的碳質(zhì)材料，是一類具有石墨微晶的無定形的碳，是一種具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積的良好碳質(zhì)吸附材料，其中主要化學(xué)成分是碳元素，并含有少量的氫、氮、氧及灰分。在高溫和一定壓力下，活性炭通過熱解作用形成復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的表面積，作為吸附劑被應(yīng)用于多方面，如污水處理、重金屬處理、空氣凈化等［1-3］。

現(xiàn)今，活性炭的主要原料為所有富含碳元素的有機材料，如木材、椰殼、核桃殼、果殼、煤等［3-5］，殼聚糖為一種來源廣泛的天然高分子化合物，具有無毒、易降解、抑菌作用、絮凝作用等特點［6］，利用其制作活性炭的報道較少［7］。本文利用殼聚糖制作新型活性炭，并測定了其對亞甲基藍的吸附作用，檢測此新型活性炭的應(yīng)用價值，為應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

殼聚糖(脫乙酰度95%);亞甲基藍，超純級;氫氧化鈉、冰醋酸均為分析純。

HJ-4A 多頭磁力攪拌器;Unico UV-2000 紫外可見分光光度計;WP800TL-23-k3 微波爐;DHG-9075A電熱鼓風(fēng)干燥箱;S3400N 掃描電子顯微鏡;K850 臨界點干燥儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 殼聚糖質(zhì)活性炭制作稱取2 g 殼聚糖粉末，溶于50 mL 1%的冰醋酸，制成0.04 g/mL 的殼聚糖溶液，用氫氧化鈉進行凝膠化，用去離子水清洗至pH 值為7，之后進行干燥、微波炭化、酸洗、水洗、干燥，制成活性炭。

1.2.2 亞甲基藍標(biāo)準(zhǔn)曲線稱取0.5，1，1.5，2，2.5 mg 的亞甲基藍粉末溶于50 mL 的容量瓶中，配制成質(zhì)量濃度為10，20，30，40，50 mg/L的亞甲基藍溶液，在660 nm 處測量吸光值，作濃度-吸光值曲線，線性回歸，得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程y= 0. 044 5x +0.172 4，R2=0.980 2。

1.2.3 活性炭對亞甲基藍吸附實驗稱取0.3 g活性炭投入到20 mg/L 的亞甲基藍溶液中，30 ℃下攪拌1 h 后，用紫外分光光度計于660 nm 處測量吸光度，并按照式(1)計算吸附量、清除率。

式中 q——吸附量，mg/g;

C0——亞甲基藍初始質(zhì)量濃度，mg/L;

Ce——吸附平衡時亞甲基藍的質(zhì)量濃度，mg/L;

V——亞甲基藍溶液體積，L;

m——活性炭樣品的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖質(zhì)活性炭的表征

圖1 為所制作的殼聚糖質(zhì)活性炭的掃描電鏡(SEM)圖，其中圖a 為此材料的近視圖(5 μm)，圖b 為遠(yuǎn)視圖(200 μm)。

圖1 活性炭的掃描電鏡圖Fig.1 SEM micrographs of activated carbon

由圖1 可知，活性炭表面不規(guī)則，有微孔及裂隙，結(jié)果保證了此材料的吸附性能。

2.2 活性炭投入量對吸附效果的影響

稱取2 g 殼聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的殼聚糖溶液，制成活性炭，加入到20 mg/L 的亞甲基藍溶液中，30 ℃下中速磁力攪拌1 h，過濾，于660 nm 處測量吸光度，并計算清除率，結(jié)果見圖2。

由圖2 可知，殼聚糖質(zhì)活性炭加入量越多，吸附效果越明顯，加入量≥0.3 g 時，亞甲基藍清除率趨于平穩(wěn)，達到83.09%，低于張娟等制作的竹炭［4］。

圖2 活性炭加入量對吸附效果的影響Fig.2 Effect of the amount of activated carbon for adsorption capacity

2.3 吸附時間對吸附效果的影響

稱取2 g 殼聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的殼聚糖溶液，制成活性炭，投0.3 g到20 mg/L 的亞甲基藍溶液中，30 ℃下中速磁力攪拌1 h，在規(guī)定時間內(nèi)取出，過濾，于660 nm 處測量吸光度，并計算清除率，結(jié)果見圖3。

圖3 吸附時間對吸附效果的影響Fig.3 Effect of the adsorption time of activated carbon for adsorption capacity

由圖3 可知，隨著吸附時間的增加，吸附率也逐漸增加，在吸附60 min 后，基本趨于平穩(wěn)，亞甲基藍的清除率高達83.9%。

2.4 不同體積亞甲基藍的量對吸附效果的影響

稱取2 g 殼聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的殼聚糖溶液，制成活性炭，分別投0.3 g 到10，20，30，40，50 mL 的20 mg/L 的亞甲基藍溶液中，30 ℃下中速磁力攪拌1 h，過濾，于660 nm處測量吸光度，并計算清除率，結(jié)果見圖4。

由圖4 可知，加入的亞甲基藍體積越少，吸附效果越明顯［7］，當(dāng)亞甲基藍加入的體積＜10 mL 時，吸附效果較好。

圖4 不同亞甲基藍體積對吸附效果的影響Fig.4 Effect of the volume of methylene blue for adsorption capacity

2.5 溫度對吸附效果的影響

稱取2 g 殼聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的殼聚糖溶液，制成活性炭，投0.3 g到20 mg/L 的亞甲基藍溶液中，20 ～60 ℃下中速磁力攪拌1 h，過濾，于660 nm 處測量吸光度，并計算清除率，結(jié)果見圖5。

圖5 溫度對吸附效果的影響Fig.5 Effect of the adsorption temperature of activated carbon for adsorption capacity

由圖5 可知，溫度對吸附效果的影響較小，整體上隨著溫度的增加，清除率增加，當(dāng)溫度達到50 ℃以后，清除率基本無變化。

2.6 吸附動力學(xué)研究［8］

為了研究殼聚糖質(zhì)活性炭的吸附動力學(xué)特性，找到合適的動力學(xué)模型，分別選用準(zhǔn)一級動力學(xué)方程以及準(zhǔn)二級動力學(xué)方程對數(shù)據(jù)進行擬合。

式中 qe——平衡時對亞甲基藍的吸附量，mg/g;

q——在t 時刻時對亞甲基藍的吸附量，mg/g;

k1——準(zhǔn)一級速率常數(shù)，min－1。

其中，k2為準(zhǔn)二級速率常數(shù)，g/(mg·min)，結(jié)果見圖6。

圖6 二級吸附動力學(xué)方程Fig.6 The second adsorption kinetic

該吸附過程符合準(zhǔn)二級動力學(xué)方程，線性相關(guān)系數(shù)為0.998 8。從斜率和截距得到動力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 殼聚糖質(zhì)活性炭對亞甲基藍吸附的動力學(xué)參數(shù)Table 1 Adsorption kinetic parameters of methylene blue by activated carbon

由表1 可知，準(zhǔn)二級動力學(xué)方程能較好的描述殼聚糖質(zhì)活性炭對亞甲基藍的吸附動力學(xué)過程，模擬計算出的qe與實驗中所得的qe基本一致。

2.7 吸附等溫線研究［9］

運用Langmuir 方程(式5)和Freundlich 方程(式6)對實驗數(shù)據(jù)進行擬合。

式中 qm——理論飽和吸附容量，mg/g;

b——Langmuir 常數(shù)。

其中，Kf，n 表示Freundlich 常數(shù)。

吸附等溫方程擬合結(jié)果見圖7，其擬合相關(guān)參數(shù)見表2。Freundlich 方程可很好地描述殼聚糖質(zhì)活性炭對亞甲基藍的吸附行為。

圖7 Freundlich 吸附等溫線Fig.7 Freundlich adsorption isotherms

表2 Freundlich 方程擬合參數(shù)Table 2 Freundlich equation fitting parameters

3 結(jié)論

(1)殼聚糖質(zhì)活性炭對亞甲基藍最佳吸附條件:投入量為0.3 g，吸附時間為60 min，亞甲基藍體積為10 mL，吸附溫度為50 ℃，吸附能力達80%以上。

(2)此吸附過程符合二級吸附動力學(xué)方程，吸附過程符合Freundlich 模型。

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