磁性活性炭的制備及其吸附性能

馬　放，周家暉，郭海娟，楊　樂

(1.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學),150090 哈爾濱；2.哈爾濱工業(yè)大學 宜興環(huán)保研究院,214205 江蘇 宜興；3. 臺州學院,318000 浙江 臺州)

?

磁性活性炭的制備及其吸附性能

馬放1,2，周家暉1,2，郭海娟1,3，楊樂1,2

(1.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學),150090 哈爾濱；2.哈爾濱工業(yè)大學 宜興環(huán)保研究院,214205 江蘇 宜興；3. 臺州學院,318000 浙江 臺州)

摘要:為改善粉末活性炭的可分離性，采用化學共沉淀法制備新型磁性活性炭，以亞甲基藍為目標污染物配制染料廢水，對粉末態(tài)磁性活性炭對目標污染物的處理效能進行探討，并與粉末活性炭處理效果進行對比，考察pH、接觸時間以及污染物質(zhì)量濃度對其處理效能的影響.結(jié)果表明：合成的粉末態(tài)磁性活性炭吸附能力高于粉末活性炭，pH為影響其處理效能的關(guān)鍵因素，偏堿性的pH和適宜的接觸時間有利于污染物的去除.當亞甲基藍初始質(zhì)量濃度為100 mg/L、磁性活性炭投量為0.4 g/L、pH為9、反應(yīng)時間為300 min時，亞甲基藍的去除率達98.9%.亞甲基藍在磁性活性炭上的吸附過程符合Langmuir吸附等溫線和Elovich動力學模型，熱力學分析表明，該吸附過程為自發(fā)進行的單分子層吸熱反應(yīng)，且以化學吸附為主.該磁性活性炭具有很好的分離性能，在自然重力沉降條件下10 min內(nèi)沉淀完全，而在外強磁場作用下30 s內(nèi)可實現(xiàn)快速分離.

關(guān)鍵詞:磁性活性炭；粉末活性炭；吸附；亞甲基藍

印染廢水具有水量變化大、色度深、堿性大、成分復(fù)雜等特點[1-5]，常規(guī)的生物處理法雖處理成本低，但處理過程緩慢，占地面積大，且不能保證印染出水的達標排放；相比而言，物理吸附法在場地需求、操作管理以及處理效果方面均有明顯的優(yōu)勢[6-9].粉末活性炭是常用的吸附劑，其比表面積大，具有很強的吸附能力，對于一般生物法難以去除的難降解物質(zhì)具有很好的去除效果[10-13]，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水的深度處理，以保證出水穩(wěn)定達標排放.但由于粉末活性炭自身粒徑小、比重輕的特點，在使用過程中存在與處理后水難以分離、易流失、成本高昂等缺點[14].

對粉末活性炭進行改性解決其與處理后廢水分離困難、分離成本高的問題一直是關(guān)注的焦點，磁性分離是解決途徑之一，且經(jīng)過鐵氧化物改性過后的粉末活性炭可能具有良好的再生性能(如高級氧化再生、熱再生等)，能有效降低其處理成本.近年來，關(guān)于制備磁性活性炭的報道有很多，但材料的制備條件普遍比較復(fù)雜，不利于實際工程的應(yīng)用.王崇琳[15]以含有鐵、鈷、鎳的金屬鹽溶液與活性炭混合，再浸入某些銨鹽溶液中，在適宜的溫度下通入H2和N2，對活性炭進行磁化，得到了磁性活性炭.Do等[16]將粉末活性炭與含F(xiàn)e(NO3)3·9H2O的硝酸溶液在100 ℃條件下充分混合磁力攪拌8 h，再通過過濾脫水、通氮氣600 ℃爐內(nèi)加熱后得到了磁性活性炭.本實驗采用化學共沉淀法制備磁性活性炭，相比其他方法具有過程簡單、反應(yīng)快速的特點，且由于反應(yīng)是在液相中進行，合成材料的表面負載物質(zhì)均勻分布，合成效果穩(wěn)定.對合成材料進行表征，將其應(yīng)用于亞甲基藍染料的吸附，考察pH、接觸時間以及污染物質(zhì)量濃度對其處理效能的影響以及合成材料的分離性能，為其在實際工程中應(yīng)用的可行性提供指導(dǎo).

1實驗

1.1實驗試劑

六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)、四水合氯化亞鐵(FeCl2·4H2O)、氫氧化鈉(NaOH)、粉末活性炭(PAC)、亞甲基藍(C16H18ClN3S·3H2O)，以上試劑均為市售分析純試劑.實驗用水為高純水.

1.2實驗方法

1.2.1磁性活性炭的制備

1.2.2脫色實驗

在20 ℃恒溫條件下，準確量取12.5 mL含亞甲基藍的染料標準儲備液(10 g/L)于1 000 mL燒杯中，加入高純水配制成500 mL的模擬染料廢水.置于恒溫水浴鍋中機械攪拌，控制轉(zhuǎn)速3 rad/s，投加一定量的磁性活性炭或粉末活性炭，用配制的硫酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH至設(shè)定值，定時取樣，將處理后的廢水用0.45 μm的微孔濾膜過濾，部分濾液取樣測定COD，剩余濾液稀釋一定倍數(shù)后用紫外可見分光光度計測定吸光度，并計算染料的剩余質(zhì)量濃度.

1.3分析項目及方法

磁性活性炭及PAC的孔結(jié)構(gòu)分析采用全自動比表面和孔隙分析儀(Tristar II 3020， Micromeritics Instrument Corporation, America)進行表征.晶體參數(shù)采用全自動多晶粉末X射線衍射儀(XD-2/XD-3,北京普析通用儀器有限責任公司)進行表征，Cu-Kα，波長λ=0.154 178 nm，管電壓36 kV，電流20 mA，掃描范圍10°~70°，掃描速度4(°)/min.形貌采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡FESEM(日立S-4800冷場發(fā)射掃描電鏡)進行表征.COD采用快速消解分光光度法(HJ/T 399-2007)測定，亞甲基藍質(zhì)量濃度采用亞甲基藍分光光度法測定，儀器為紫外可見分光光度計(T6新世紀，北京普析通用儀器有限責任公司).

2結(jié)果與討論

2.1材料的表征

2.1.1XRD分析

圖1、2分別為磁性活性炭和PAC的XRD圖，可以看出，磁性物質(zhì)的衍射譜峰出現(xiàn)在2θ= 30.29°、35.55°、43.08°、57.36°、62.74°處，與Fe3O4的X射線衍射標準卡JCPDS(19-0629)的圖譜特征峰基本一致，PAC表面負載的物質(zhì)為Fe3O4.從PAC的XRD圖分析可知，在20°左右呈現(xiàn)一個大峰，而負載后的磁性活性炭不存在，說明在制備過程中對PAC的燒蝕作用較強，磁性活性炭中所含PAC呈現(xiàn)無定型結(jié)構(gòu).

圖1　磁性活性炭XRD圖

圖2　粉末活性炭XRD圖

2.1.2SEM分析

圖3、4分別為磁性活性炭和PAC的FESEM圖，可以看出，PAC表面較為平滑，形貌呈現(xiàn)片塊狀，而進行負載之后得到的磁性活性炭在PAC表面形成了許多類似小球狀的顆粒物，對PAC的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)沒有造成太大的影響.

圖3　磁性活性炭FESEM圖

圖4　粉末活性炭FESEM圖

2.1.3孔結(jié)構(gòu)分析

在523 K條件下將樣品脫氣4 h，以高純氮(99.99%)為吸附介質(zhì)進行測定，通過計算吸附等溫線，得到樣品的比表面積和孔結(jié)構(gòu)等參數(shù)，結(jié)果如表1所示.

表1　材料的孔結(jié)構(gòu)分析

由表1可以看出，本實驗采用的PAC比表面積很大，可達1 106 m2/g，且以中孔、大孔為主.負載后的磁性活性炭比表面積為254 m2/g，比表面積下降較明顯，平均孔徑略有上升，孔體積相對PAC明顯減小.這一現(xiàn)象主要是因為磁性活性炭是由PAC和其表面負載的鐵氧化物按質(zhì)量比1∶1合成的，而比表面積是以單位質(zhì)量的吸附材料進行測量得出的結(jié)果，鐵氧化物的比表面積相對PAC很小可忽略不計，所以表現(xiàn)為磁性活性炭的比表面積有明顯下降.這一現(xiàn)象表明，負載前后PAC表面性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化，該現(xiàn)象與XRD及FESEM分析結(jié)果吻合.

2.2吸附等溫線

磁性活性炭對亞甲基藍的吸附過程是動態(tài)平衡的，為了探討其吸附過程的規(guī)律，使用描述固-液吸附等溫線的Langmuir和Freundlich方程模型對其進行擬合.

Langmuir等溫線是假設(shè)所有的吸附位點具有相同的能量，吸附過程為單分子層吸附，已經(jīng)吸附的分子相互之間沒有作用力，且吸附平衡是動態(tài)平衡；Freundlich模型假設(shè)吸附過程為多層吸附，吸附劑表面的吸附位點遵循能量指數(shù)分布.其方程形式分別為

(1)

(2)

所用磁性活性炭和PAC比表面積分別為254、1 106 m2/g，在pH=9、溫度293 K條件下，固定吸附劑的投量均為0.4 g/L，改變廢水中染料的質(zhì)量濃度，待其達到吸附平衡后測定水中殘余染料質(zhì)量濃度，繪制吸附等溫線.圖5為磁性活性炭及PAC分別通過Langmuir方程模型及Freundlich方程模型進行非線性擬合所得吸附等溫線.

由圖5可知，隨著亞甲基藍平衡質(zhì)量濃度的增加，磁性活性炭對亞甲基藍的吸附優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)，磁性活性炭的最大吸附容量可達307.4 mg/g，而PAC的最大吸附容量為285.8 mg/g.圖6為不同初始質(zhì)量濃度的亞甲基藍對磁性活性炭及PAC的平衡吸附量的影響，可以看出，兩者的平衡吸附量均隨著亞甲基藍初始質(zhì)量濃度的增加先快速增加.在亞甲基藍初始質(zhì)量濃度小于100 mg/L時，兩者均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系；當亞甲基藍初始質(zhì)量濃度大于100 mg/L時，兩者的吸附量趨于穩(wěn)定，直至平衡.應(yīng)用式(1)和式(2)分別對溫度為293 K的吸附實驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合，所得參數(shù)如表2所示.

圖5　磁性活性炭、PAC吸附等溫線

圖6　初始質(zhì)量濃度對吸附亞甲基藍的影響

吸附劑Langmuir等溫方程Freundlich等溫方程qmKLR2KFnR2磁性活性炭294.2675.4380.982203.01011.3000.819PAC261.01282.8620.593230.59624.1800.994

由表2可以看出，Langmuir方程模型能更好地反映磁性活性炭對亞甲基藍的吸附特點，磁性活性炭表面性質(zhì)較為均一，吸附位點分布均勻，吸附過程為單分子層吸附.Freundlich方程能更好地表征PAC對亞甲基藍的吸附能力，PAC吸附過程為多分子層物理吸附，且Freundlich方程擬合指數(shù)n大于1，說明PAC對亞甲基藍的吸附為優(yōu)惠吸附[17].

2.3亞甲基藍去除效果分析

2.3.1微孔濾膜過濾法對實驗的影響

如圖7所示，配制亞甲基藍模擬染料廢水0、50、100、150、200、250 mg/L 6個質(zhì)量濃度，分別各自測定過濾前原水以及經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾后廢水的吸光度和COD.可以看出，經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾后的廢水染料質(zhì)量濃度和COD均未發(fā)生變化，可以排除由于微孔濾膜本身對廢水中污染物的分離作用而對實驗造成的影響.

圖7　微孔濾膜對實驗的影響

2.3.2pH對吸附的影響

對于一般吸附過程，溶液pH對吸附有較明顯的影響，主要涉及吸附劑的官能團、表面電荷、活性位點，同時還能影響吸附質(zhì)的電離程度和結(jié)構(gòu)，進而影響吸附劑表面化學性質(zhì)以及吸附質(zhì)在溶液中的存在形態(tài)[18].實驗設(shè)計磁性活性炭及PAC投加量為0.4 g/L、亞甲基藍廢水初始質(zhì)量濃度為250 mg/L、接觸時間為300 min時，考察材料吸附容量隨pH的變化，結(jié)果如圖8所示.

圖8　pH對磁性活性炭、PAC吸附容量的影響

由圖8可以看出，pH為3時，磁性活性炭及PAC對亞甲基藍的吸附容量分別為148.5、232.6 mg/g；pH為9時，磁性活性炭及PAC的吸附容量分別提升至307.4、285.8 mg/g.可見提高pH可大幅提高磁性活性炭對亞甲基藍的吸附容量，而對PAC的吸附容量影響較小.由于亞甲基藍為陽離子型染料，即在水中以帶正電荷的陽離子形式存在，而一般認為Fe3O4的等電點為pH=6.5[19]，因此pH>6.5時，磁性活性炭顆粒表面大量吸附位點處于去質(zhì)子化形式，表現(xiàn)為位點的負電荷增加，故在堿性條件下有利于陽離子型染料吸附，且在酸性條件下PAC表面帶正電荷的基團影響了其對亞甲基藍的吸附，當溶液轉(zhuǎn)為中性所形成的雙電荷層改變了PAC的表面極性[20]，故pH在中性附近時磁性活性炭及PAC吸附效果均發(fā)生了明顯變化.

此外，配制的染料廢水投入對應(yīng)比例的磁性活性炭后pH穩(wěn)定在9左右，與磁性活性炭吸附亞甲基藍的最佳pH剛好吻合，因此，整個處理過程無需人為調(diào)節(jié)pH，出水pH也可實現(xiàn)達標.

2.3.3接觸時間對染料去除率和COD去除率的影響

磁性活性炭投加量為0.4 g/L，pH=9，亞甲基藍廢水質(zhì)量濃度為100 mg/L，考察接觸時間(10、20、30、60、120、180、300、360 min)對染料去除率和COD去除率的影響，結(jié)果如圖9所示.

圖9　接觸時間對去除率的影響

由圖9可以看出，在給定實驗條件下，磁性活性炭處理染料廢水吸附速度非常快，接觸60 min后，亞甲基藍去除率和COD去除率已分別達86.3%和84.4%.達到最大去除率所需時間為300 min，此時亞甲基藍去除率和COD去除率為98.9%和96.8%.繼續(xù)增加接觸時間則去除率幾無變化，表明磁性活性炭對亞甲基藍已達吸附飽和.

2.4吸附熱力學

磁性活性炭對亞甲基藍吸附過程的ΔG0可通過式(3)計算，ΔH0和ΔS0通過式(5)計算：

(3)

(4)

(5)

式中：ρA和ρe分別為平衡狀態(tài)下亞甲基藍在固相和液相中的質(zhì)量濃度;ΔS0和ΔH0分別為吸附熵變和吸附焓變;R為通用氣體常數(shù)，8.314 J·(mol·K)-1;T為熱力學溫度.得到相應(yīng)的熱力學參數(shù)見表3.

表3　磁性活性炭吸附亞甲基藍的熱力學參數(shù)

如表3所示，ΔG0<0，說明磁性活性炭對亞甲基藍的吸附過程是自發(fā)進行的，且隨著溫度的升高，ΔG0的絕對值逐漸增大，表明溫度越高，磁性活性炭對亞甲基藍的吸附量越大.吸附焓變ΔH0>0，說明磁性活性炭對亞甲基藍的吸附是吸熱過程，進一步說明升高溫度有利于該吸附過程.一般認為當ΔH0<40 kJ·mol-1時，吸附過程以物理吸附為主，如氫鍵作用力、范德華力、偶極-偶極間作用力等；ΔH0>50 kJ·mol-1時，吸附過程以化學吸附為主.而由表3可知，磁性活性炭對亞甲基藍的吸附過程中ΔH0為53.529 kJ·mol-1，表明該吸附過程以化學吸附為主.ΔS0>0，表明亞甲基藍在吸附界面上是無序隨機被吸附的[21].通過分析發(fā)現(xiàn)，磁性活性炭對亞甲基藍的吸附過程可能是化學鍵力、配位基交換、靜電引力和氫鍵作用力等綜合作用的結(jié)果[22].

2.5吸附動力學

設(shè)置亞甲基藍模擬染料廢水初始質(zhì)量濃度為100、150、200和250 mg/L，對亞甲基藍在磁性活性炭上的吸附數(shù)據(jù)進行分析，并用準一級、準二級、Elovich及內(nèi)擴散動力學方程對其吸附動力學數(shù)據(jù)進行非線性擬合，擬合所得參數(shù)如表4所示.可以看出，準一級、準二級及Elovich方程的相關(guān)系數(shù)R2均較高，分別能達0.96、0.98、0.99；相比而言，內(nèi)部擴散方程的擬合結(jié)果不是很好，表明顆粒內(nèi)擴散不是該吸附過程的控速步驟，吸附過程受其他吸附階段的共同控制.圖10分別為擬合相關(guān)系數(shù)較高的準一級、準二級以及Elovich動力學方程擬合曲線.可以看出，在吸附初期磁性活性炭對亞甲基藍的吸附速率較快，在最初的30 min內(nèi)已達到總吸附量的70%以上.而后隨著時間的延長，吸附速率逐漸下降，吸附180 min后，吸附量趨于平穩(wěn).且隨著亞甲基藍初始質(zhì)量濃度的增大，其吸附量也相應(yīng)增大，該現(xiàn)象與等溫吸附分析結(jié)果一致.

從圖10和表4中的數(shù)據(jù)綜合分析可以看出，盡管準一級、準二級方程的相關(guān)系數(shù)比較高，但是由方程計算得到的飽和吸附量qe,cal與實驗得到的飽和吸附量qe,max相差較大，相比而言，Elovich動力學方程能更好地描述磁性活性炭在不同亞甲基藍初始質(zhì)量濃度時對亞甲基藍的吸附動力學過程，吸附過程傾向于非理想化的單分子層化學吸附[23].

2.6材料的分離效果

圖11分別為磁性活性炭開始沉淀、自然沉淀10 min、磁力回收30 s、PAC自然沉淀5 h時的沉淀效果圖.可以看出，磁性活性炭在自然重力沉降條件下10 min內(nèi)沉淀完全，在外強磁場作用下30 s內(nèi)可實現(xiàn)快速分離，而自然沉淀5 h后PAC混合液未見明顯變化，需經(jīng)過過濾裝置進行過濾才能實現(xiàn)固液分離.

圖10　磁性活性炭對亞甲基藍的吸附動力學曲線

ρ/(mg·L-1)qe,max/(mg·g-1)準一級方程準二級方程Elovich方程內(nèi)部擴散方程qt=qe-qee-k1tqt=k2qe2t1+k2qetqt=1βElnαEβE+1βElntqt=kidt12+Lqe,cal/(mg·g-1)k1/(min-1)R2qe,cal/(mg·g-1)k2/(s-1)R2αE/(mg·(g·min)-1)βE/(g·mg-1)R2kid/(mg·(g·min)-1)R2100239225.6430.1100.970239.5510.0490.9944292.9140.0440.99810.7320.610150282252.7190.0940.950270.6710.0350.9861230.0890.0340.99912.6700.672200290263.4050.0960.959281.8800.0340.9911477.4590.0330.99913.0720.660250307276.1590.1070.934295.8870.0350.9772171.1760.0320.99813.7900.658

圖11 　磁性活性炭及PAC沉淀效果對比

3結(jié)論

1)經(jīng)化學共沉淀法合成的磁性活性炭顆粒表面性質(zhì)均一，具有良好的吸附性能，pH是影響其處理效能的關(guān)鍵因素.在偏堿性條件下，磁性活性炭對亞甲基藍的吸附容量比PAC有所提升.當pH為9時，磁性活性炭對亞甲基藍的脫色能力達到最佳，接觸時間為300 min時，達到吸附飽和，飽和吸附容量為307.4 mg/g.

2)磁性活性炭對亞甲基藍的等溫吸附過程符合Langmuir模型，磁性活性炭表面性質(zhì)較為均一，吸附位點分布均勻，吸附過程為單分子層吸附.

3)熱力學分析結(jié)果表明，ΔG0<0，ΔH0>50 kJ·mol-1，說明磁性活性炭對亞甲基藍的吸附過程是自發(fā)進行的吸熱過程，且化學作用在吸附過程中占主導(dǎo)地位.

4) Elovich動力學方程能更好地描述磁性活性炭在不同亞甲基藍初始質(zhì)量濃度時對亞甲基藍的吸附動力學過程，吸附過程傾向于非理想化的單分子層化學吸附.

5)該合成材料解決了常規(guī)PAC在使用過程中分離困難的弊端，在自然重力沉降條件下10 min內(nèi)沉淀完全，而在外強磁場作用下30 s內(nèi)可實現(xiàn)快速分離.且該合成材料在再生方面(如高級氧化再生等)非常具有前景.相比常規(guī)PAC工藝，該合成材料實際應(yīng)用價值很高.本文僅對特定制備條件下的磁性活性炭進行了吸附性能的探討，結(jié)果表明該磁性活性炭相比PAC具有吸附容量大、可分離性能強等明顯優(yōu)勢，但后期還需對材料的制備條件、大批量生產(chǎn)、再生以及在實際廢水處理工藝中應(yīng)用的穩(wěn)定性等方面做進一步研究.

參考文獻

[1] 溫珺琪. 印染廢水處理回用工藝現(xiàn)狀研究[J]. 環(huán)境科學與管理,2014,39(2):156-158.

[2] 劉圣厚, 張笑吟, 劉楠. 印染廢水排放及處理現(xiàn)狀綜述[J]. 科技視界,2014(8):158.

[3] LU Xujie, LIU Lin, YANG Bo, et al. Reuse of printing and dyeing wastewater in processess assessed by pilot-scale test using combined biological process and sub-filter technology[J]. Journal of Cleaner Production, 2009, 17(2): 111-114.

[4] KUMAR P, PRASAD B, MISHRA I M, et al. Decolorization and COD reduction of dyeing wastewater from a cotton textile mill using thermolysis and coagulation[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 153(1/2): 635-645.

[5] ALLEGRE C, MOULIN P, MAISSEU M, et al. Treatment and reuse of reactive dyeing efuents[J]. Journal of Membrane Science, 2006, 269(1/2): 15-34.

[6] KADIRVELU K, PALANIVAL M, KALPANA R, et al. Activated carbon from an agricultural by-product, for the treatment of dyeing industry wastewater[J]. Bioresource Technology, 2000, 74(3):263-265.

[7] 劉亮，安曉玲，李雅軒. 印染廢水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 河北工業(yè)科技，2008，25(3):177-180.

[8] 史會劍，朱大偉，胡欣欣，等. 印染廢水處理技術(shù)研究進展探析[J]. 環(huán)境科學與管理，2015，40(2):74-76.

[9] RANGABHASHIYAM S, ANU N, SELVARAJU N. Sequestration of dye from textile industry wastewater using agricultural waste products as adsorbents[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2013, 1(4):629-641.

[10]廖欽洪，劉慶業(yè)，蒙冕武，等. 稻殼基活性炭的制備及其對亞甲基藍吸附的研究[J]. 環(huán)境工程學報，2011，5(11):2447-2452.

[11]NGUYEN L N, HAI F I, NGHIEM L D, et al. Enhancement of removal of trace organic contaminants by powdered activated carbon dosing into membrane bioreactors[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2014, 45(2):571-578.

[12]NG C A, SUN D, BASHIR M J K, et al. Optimization of membrane bioreactors by the addition of powdered activated carbon[J]. Bioresource Technology, 2013, 138:38-47.

[13]YENER J, KOPAC T, DOGU G, et al. Dynamic analysis of sorption of Methylene Blue dye on granular and powdered activated carbon[J]. Chemical Engineering Journal, 2008, 144(3):400-406.

[14]XU J C, XIN P H, HAN Y B, et al. Magnetic response and adsorptive properties for methylene blue of CoFe2O4/CoxFey/activated carbon magnetic composites[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 617:622-626.

[15]王崇琳. 一種磁性活性炭的制備工藝：CN1026215[P].1990-12-13.

[16]DO M H, PHAN N H, NGUYEN T D, et al. Activated carbon/Fe3O4nanoparticle composite: fabrication, methyl orange removal and regeneration by hydrogen peroxide[J]. Chemosphere, 2011, 85(8):1269-1276.

[17]FREUNDLICH H M F. Over the adsorption in solution[J]. Journal of Physical Chemistry, 2006, 57(3):385-471.

[18]徐恩兵，李坤權(quán)，朱志強，等. 雙孔介孔碳的合成及其對亞甲基藍的吸附[J]. 環(huán)境化學，2015，34(1): 137-143.

[19]CHEN M J, SHEN H, LI X, et al. Facile synthesis of oil-soluble Fe3O4nanoparticles based on a phase transfer mechanism[J]. Applied Surface Science, 2014, 307:306-310.

[20]HAMEED B H, EL-KHAIARY M I. Equilibrium, kinetics and mechanism of malachite green adsorption on activated carbon prepared from bamboo by K2CO3activation and subsequent gasification with CO2[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 157(2/3):344-351.

[21]FAKHRI A, ADAMI S. Adsorption and thermodynamic study of cephalosporins antibiotics from aqueous solution onto MgO nanoparticles[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2014, 45(3):1001-1006.

[22]MITROGIANNIS D, MARKOU G, ?ELEKLI A, et al. Biosorption of methylene blue onto Arthrospira platensis biomass: kinetic, equilibrium and thermodynamic studies[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2015, 3(2):670-680.

[23]WU F C, TSENG R L, JUANG R S. Characteristics of Elovich equation used for the analysis of adsorption kinetics in dye-chitosan systems[J]. Chemical Engineering Journal, 2009, 150(2/3):366-373.

(編輯劉彤)

Study on preparation and adsorption properties of magnetic activated carbon

MA Fang1,2, ZHOU Jiahui1,2, GUO Haijuan1,3, YANG Le1,2

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment(Harbin Institute of Technology),150090 Harbin, China;2.HIT Yixing Academy of Environmental Protection, 214205 Yixing, Jiangsu, China;3.Taizhou University, 318000 Taizhou, Zhejiang, China)

Abstract:In order to improve the separability of powdered activated carbon,a new type of magnetic activated carbon was prepared using chemical co-precipitation.Using methylene blue as target pollutants,performance of the powdered magnetic activated carbon was studied under varied conditions of pH, contact time and initial methylene blue concentrations, via the comparison with powdered activated carbon.The results showed that the adsorption capacity of synthetic magnetic powdered activated carbon was higher than that of the powdered activated carbon,and an alkaline pH value and adequate contact time were favorable for the pollutants removal.Under the condition of 100 mg/L methylene blue concentration,0.4 g/L magnetic activated carbon dosage of,pH 9 and a reaction time of 300 minutes,the removal rate of methylene blue reached 98.9%.The adsorption behavior of methylene blue on magnetic activated carbon fitted the Langmuir isotherm and Elovich dynamics model.Thermodynamic analysis indicated that the adsorption was spontaneous endothermic reaction of single molecule layer,and the chemical adsorption played an important role during the adsorption process.The magnetic activated carbon had a good recyclable performance,it could complete precipitation in 10 minutes under natural condition,and could be quickly separated in 30 seconds under the action of outside magnetic field.

Keywords:magnetic powdered activated carbon; PAC; adsorption; methylene blue

中圖分類號:X703

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)02-0050-07

通信作者:郭海娟，guohaijuan@163.com.

作者簡介:馬放(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

基金項目:國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07201-003);城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)開放課題(QA201319).

收稿日期:2015-04-07.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.009