高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)吸附性能的研究

陳莉榮，張思思，王　哲,2

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，包頭　014010;2.華北電力大學(xué)資源與環(huán)境研究院，北京　102206)

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高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)吸附性能的研究

陳莉榮1，張思思1，王哲1,2

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，包頭014010;2.華北電力大學(xué)資源與環(huán)境研究院，北京102206)

本試驗(yàn)研究了高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)的吸附性能，借助電鏡掃描(SEM)技術(shù)對(duì)吸附劑進(jìn)行了表征，探討了堿性品藍(lán)的初始濃度、吸附時(shí)間、吸附劑投加量、吸附溫度、離子強(qiáng)度和廢水pH等因素對(duì)堿性品藍(lán)去除率的影響，并從動(dòng)力學(xué)和等溫吸附模型探討了吸附作用機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)吸附溫度為室溫(25 ℃)、吸附劑加入量為0.4 g、吸附時(shí)間為120 min、廢水pH為8、初始?jí)A性品藍(lán)濃度為100 mg/L、離子強(qiáng)度為0 mol/L時(shí)，堿性品藍(lán)去除率達(dá)78.31%；高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)的吸附符合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和Freundlich等溫吸附模型，并且吸附是容易發(fā)生的。

高爐渣； 吸附； 堿性品藍(lán)； 吸附等溫線； 吸附動(dòng)力學(xué)

1　引　言

染料廢水是印染過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水，具有組分復(fù)雜、有機(jī)污染物含量高、水質(zhì)變化大、難處理等特點(diǎn)。研究表明，許多染料及其降解的中間產(chǎn)物具有“三致”作用和毒性，因此，染料廢水的處理一直是國(guó)內(nèi)外廢水處理研究的熱點(diǎn)[1]。染料廢水的處理方法有很多，傳統(tǒng)的方法有共沉淀法、絮凝法、 氧化還原法、光催化降解法、離子交換法、溶劑萃取法、物理法、吸附法、膜分離法等[2-4]。這些處理方法或多或少存在處理成本高、操作復(fù)雜、二次污染嚴(yán)重等問(wèn)題，這些問(wèn)題大大限制了它們?cè)趯?shí)際廢水處理中的應(yīng)用[5]。吸附法因其吸附劑來(lái)源廣、價(jià)格低廉，被認(rèn)為是一種具有潛力的方法。吸附法中常用的吸附劑為活性炭，但活性炭再生困難，成本高，因此，開發(fā)廉價(jià)易得的吸附劑有著非常重要的意義。高爐渣是冶煉生鐵時(shí)從高爐中排出的副產(chǎn)品，它是在高溫熔融狀態(tài)下經(jīng)過(guò)水淬急冷而形成的細(xì)小顆粒，是一種具有很高潛在活性的玻璃體結(jié)構(gòu)材料，也是一種多孔質(zhì)硅酸鹽材料，對(duì)水中雜質(zhì)有較好的吸附性能[6]。

本文以包頭鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠的高爐渣為吸附劑原料，用于對(duì)堿性品藍(lán)的吸附實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其動(dòng)力學(xué)和吸附等溫模型進(jìn)行了研究，推測(cè)其反應(yīng)機(jī)理，為拓寬高爐渣的綜合利用途徑，開發(fā)新型廉價(jià)高效吸附材料提供了理論依據(jù)。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)材料

高爐渣取自包頭鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠4#高爐，其主要化學(xué)成分見表1。由表1可以看出高爐渣的成分中主要的金屬氧化物為CaO和SiO2，當(dāng)高爐渣投到溶液中，SiO2在水溶液中就會(huì)以(SiO4)4-的形式存在，(SiO4)4-為晶體結(jié)構(gòu)，這種特殊的晶體結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)離子交換和吸附作用[7]；在堿性環(huán)境下，溶解在水中Ca2+的可形成CaCO3，染料分子會(huì)吸附于其上，從而被吸附去除。

表1　高爐水淬渣的主要化學(xué)組成及其它特性

高爐渣的電鏡掃描(SEM)照片見圖1。從圖中可以看出，高爐渣吸附劑具有疏松多孔的特點(diǎn)，表面十分粗糙，對(duì)吸附堿性品藍(lán)十分有利，因此可以用來(lái)作吸附材料。

圖1　高爐渣SEM電鏡掃描圖Fig.1　SEM images of blast furnace slag

2.2實(shí)驗(yàn)儀器

P-5000電感耦合等離子體質(zhì)譜分析儀：日本Hitachi公司；SA 3000比表面積測(cè)定儀：美國(guó)Beckman Coulter公司；QUANTA400電子掃描顯微鏡：美國(guó)FEI公司；T6紫外分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；pHS-3C型數(shù)字式酸度計(jì)：上海精科天美科學(xué)儀器有限公司；GZX-9140 MBE型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；FA2204B型電子天平：上海精科天美科學(xué)儀器有限公司；HY-B2型回旋振蕩器：常州國(guó)華電器有限公司；SHA-BA型水浴恒溫振蕩器：金壇市榮華儀器制造有限公司；GJ-3型密封式制樣粉碎機(jī)：上?？德穬x器設(shè)備有限公司。

2.3實(shí)驗(yàn)方法

(1)吸附劑的預(yù)處理

將取回的高爐渣用去離子水洗凈，在100～105 ℃下烘干，然后用粉碎機(jī)將其磨碎，過(guò)100目分樣篩，即得實(shí)驗(yàn)所用高爐渣吸附劑。

(2)廢水的配制

本實(shí)驗(yàn)所用的水樣為模擬自配水樣，用堿性品藍(lán)和蒸餾水配制的模擬含堿性品藍(lán)廢水為實(shí)驗(yàn)用水，用1 mol/L NaOH溶液和1 mol/L HCl調(diào)節(jié)其pH。

(3)實(shí)驗(yàn)方法

用電子天平稱取若干份一定量預(yù)處理好的高爐渣吸附劑于250 mL錐形瓶中，用移液管移取50 mL配制好的含堿性品藍(lán)的廢水于錐形瓶?jī)?nèi)，用保鮮膜將其封口后放置于恒溫振蕩器上，在120 r/min條件下振蕩處理一定時(shí)間，過(guò)濾上清液，過(guò)濾液流入廣口瓶中，最后用紫外分光光度計(jì)在波長(zhǎng)為599 nm的條件下測(cè)定過(guò)濾液中堿性品藍(lán)的吸光度，利用公式(1)、(2)和(3)計(jì)算其去除率和吸附量。

(1)

(2)

(3)

式中，Q為平衡時(shí)被高爐渣吸附的堿性品藍(lán)的量(mg/g)，C0，CS分別為初始?jí)A性品藍(lán)濃度(mg/L)和平衡時(shí)堿性品藍(lán)濃度(mg/L),w平衡時(shí)堿性品藍(lán)的去除率(%)，V0為初始的溶液體積(mL)，M為加入的吸附劑的量(g),Y為平衡時(shí)堿性品藍(lán)吸光度，0.0219和0.0144是標(biāo)線方程系數(shù)。

3　結(jié)果與討論

3.1吸附劑投加量對(duì)堿性品藍(lán)去除率的影響

當(dāng)吸附溫度為室溫(25 ℃)、吸附時(shí)間為120 min、廢水pH為8、初始?jí)A性品藍(lán)濃度為100 mg/L、離子強(qiáng)度為0 mol/L時(shí)，吸附劑投加量對(duì)堿性品藍(lán)去除率的影響見圖2。由圖2可以看出，在體系中堿性品藍(lán)濃度不變的條件下，吸附劑投加量從0.1 g增加到0.4 g時(shí)，堿性品藍(lán)的去除率明顯增大，當(dāng)投加量大于0.4 g后，繼續(xù)增加吸附劑投加量堿性品藍(lán)的去除率變化趨于平衡狀態(tài)，這是因?yàn)槲絼┍砻嬗形綁A性品藍(lán)的活性吸附位點(diǎn)，投加量越大吸附位點(diǎn)越多，在吸附過(guò)程中與堿性品藍(lán)分子結(jié)合的可能性越大，從而使去除率逐漸上升，但是投加量達(dá)到一定程度后吸附將趨于平衡狀態(tài)，所以投加量的進(jìn)一步增加只是無(wú)效吸附位點(diǎn)的增加，不會(huì)對(duì)去除率產(chǎn)生多大影響，所以去除率趨于平衡。吸附劑的吸附位點(diǎn)很多，但是能成功的和堿性品藍(lán)分子結(jié)合成為有效吸附位點(diǎn)的只是少數(shù)，隨著投加量的不斷增加，無(wú)效吸附位點(diǎn)的增加量比有效吸附位點(diǎn)的增加量要多，所以導(dǎo)致在整個(gè)吸附過(guò)程中吸附量呈逐漸減小的趨勢(shì)。綜合考慮去除率、單位吸附量、成本等因素，本次實(shí)驗(yàn)吸附劑的投加量均采用0.4 g。

3.2吸附時(shí)間對(duì)堿性品藍(lán)去除率的影響

當(dāng)吸附溫度為室溫(25 ℃)、吸附劑投加量為0.4 g、廢水pH值為8、初始?jí)A性品藍(lán)濃度為100 mg/L、離子強(qiáng)度為0 mol/L時(shí)，吸附時(shí)間對(duì)堿性品藍(lán)去除率的影響見圖3。由圖3可以看出，在吸附時(shí)間從5 min增加到120 min時(shí)，堿性品藍(lán)的去除率明顯增大，當(dāng)吸附時(shí)間大于120 min后，繼續(xù)增大吸附時(shí)間，堿性品藍(lán)的去除率變化趨于平衡狀態(tài)，這是因?yàn)槲絼┍砻嬗写罅康奈綁A性品藍(lán)的吸附位點(diǎn)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，堿性品藍(lán)被逐漸吸附到吸附劑的吸附位點(diǎn)上，使的堿性品藍(lán)的去除率逐漸上升，但是吸附時(shí)間達(dá)到一定值后，吸附和解吸達(dá)到了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，故去除率趨基本不變。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，堿性品藍(lán)吸附量的變化趨勢(shì)和去除率相似，呈現(xiàn)了隨著吸附時(shí)間的增加，吸附量先增大后平衡的曲線，在去除率趨于平衡的時(shí)候吸附量也同時(shí)趨于平衡狀態(tài)。這也說(shuō)明了吸附劑表面的活性位點(diǎn)數(shù)是影響吸附劑吸附速率的重要因素之一[7]。綜合考慮，本次實(shí)驗(yàn)的吸附時(shí)間均采用120 min。

圖2　吸附劑投加量對(duì)堿性品藍(lán)吸附的影響Fig.2　Effect of dosage on the adsorption of Basic Royal Blue

圖3　吸附時(shí)間對(duì)堿性品藍(lán)吸附的影響Fig.3　Effect of time on the adsorption of Basic Royal Blue

3.3廢水pH值對(duì)堿性品藍(lán)去除率的影響

當(dāng)吸附溫度為室溫(25 ℃)、吸附劑投加量為0.4 g、吸附時(shí)間為120 min、初始?jí)A性品藍(lán)濃度為100 mg/L、離子強(qiáng)度為0 mol/L時(shí)，廢水pH值對(duì)堿性品藍(lán)去除率的影響見圖4。由圖4可以看出，在強(qiáng)酸性條件下，隨pH的升高堿性品藍(lán)去除率明顯增大；而當(dāng)pH值從4增大到8時(shí)，堿性品藍(lán)去除率趨于平衡狀態(tài)；當(dāng)pH﹥8后，隨pH的升高堿性品藍(lán)去除率明顯減小。堿性品藍(lán)的吸附量隨著廢水pH的變化趨勢(shì)和去除率一樣。這是由于堿性品藍(lán)在水溶液中以陽(yáng)離子形式存在，而高爐渣的主要成分為鈣、鋁、鎂、鐵、硅以及其他金屬氧化物，在溶液中，這些氧化物有形成金屬氫氧化物的趨勢(shì)，而且隨著在固液界面上的兩性解離而導(dǎo)致吸附劑表面的正負(fù)電荷發(fā)生變化，從而對(duì)堿性品藍(lán)的吸附產(chǎn)生影響。吸附劑表面正負(fù)電荷的變化機(jī)理如下所示[8]：

(4)

(5)

YO-+dye+→YO-/dye+

(6)

(7)

其中，Y為Ca，Si，Al等。

在酸性條件下，由式(4)可知高爐渣表面帶正電荷，而堿性品藍(lán)為陽(yáng)離子染料，在水中以陽(yáng)離子形式存在，由于同種電荷相互排斥的作用，使得在pH為2的時(shí)候高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)的吸附量較少，去除率較低。隨著pH值的增加，溶液中的H+逐漸減少，OH-逐漸增多，由式(5)可知，此時(shí)高爐渣表面的負(fù)電荷越來(lái)越多，由于異種電荷的相互吸引作用，高爐渣容易吸附陽(yáng)離子染料堿性品藍(lán)，因此去除率越來(lái)越大。在pH值在4到8時(shí)，由式(6)可知，高爐渣表面吸附飽和后，將不在吸附堿性品藍(lán)，其去除率自然也不會(huì)再變。當(dāng)pH值超過(guò)8后，由式(7)可知，大量的OH-會(huì)和吸附劑上的金屬氧化物生成固體沉淀物，占據(jù)高爐渣吸附堿性品藍(lán)的吸附位點(diǎn)，使得堿性品藍(lán)的去除率下降。廢水未經(jīng)酸堿調(diào)節(jié)時(shí)，其原始pH值約為8。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、操作、去除率等因素，本次實(shí)驗(yàn)均采用pH=8。

3.4離子強(qiáng)度對(duì)堿性品藍(lán)去除率的影響

當(dāng)吸附溫度為室溫(25 ℃)、吸附劑投加量為0.4 g、吸附時(shí)間為120 min、初始?jí)A性品藍(lán)濃度為100 mg/L、廢水pH值為8時(shí)，離子強(qiáng)度對(duì)堿性品藍(lán)去除率的影響見圖5。由圖5可以看出，隨著離子強(qiáng)度的逐漸增大，高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)的去除率隨之逐漸下降，在NaCl離子強(qiáng)度為0.05 mol/L后，隨著離子濃度的增大，堿性品藍(lán)的去除率變化不明顯，趨于平衡狀態(tài)，原因可能是Na+和堿性品藍(lán)在溶液中同為陽(yáng)離子性質(zhì)存在，其在高爐渣表面發(fā)生了競(jìng)爭(zhēng)吸附，Na+占據(jù)了高爐渣的部分吸附位點(diǎn)；另外可能是離子強(qiáng)度會(huì)減少高爐渣表面的負(fù)電荷及增加Zeta電位[9]，從而導(dǎo)致高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)的去除率減少，還可能是由于高爐渣吸附劑和堿性品藍(lán)間的靜電作用力為吸引力，離子強(qiáng)度的增加會(huì)使他們之間的靜電作用力變?nèi)?。后?lái)由于高爐渣對(duì)Na+的吸附達(dá)到了飽和狀態(tài)，故離子濃度的進(jìn)一步增大只是無(wú)效的投加，不會(huì)再被高爐渣吸附，堿性品藍(lán)的去除率趨于平衡。堿性品藍(lán)的吸附量也表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、操作、去除率等因素，本次實(shí)驗(yàn)離子強(qiáng)度均采用0 mol/L。

圖4　pH值對(duì)堿性品藍(lán)吸附的影響Fig.4　Effect of pH on the adsorption of Basic Royal Blue

圖5　離子強(qiáng)度對(duì)堿性品藍(lán)吸附的影響Fig.5　Effect of ionic strength on the adsorption of Basic Royal Blue

3.5吸附溫度對(duì)堿性品藍(lán)去除率的影響

吸附劑投加量為0.4 g、廢水pH為8、吸附時(shí)間為120 min、初始?jí)A性品藍(lán)濃度為100 mg/L、離子強(qiáng)度為0 mol/L時(shí)，吸附時(shí)間對(duì)堿性品藍(lán)去除率的影響見圖6。由圖6可以看出，溫度從20 ℃升高到35 ℃時(shí)，堿性品藍(lán)去除率幾乎不改變，在溫度升至35 ℃之后，隨著溫度升高堿性品藍(lán)去除率逐漸降低，說(shuō)明高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)的吸附是一個(gè)放熱的過(guò)程，而當(dāng)溫度在20 ℃到35 ℃時(shí)，此時(shí)溫度不是很高，不會(huì)影響吸附的進(jìn)行；在溫度達(dá)到35 ℃后，過(guò)高的溫度不利于吸附反應(yīng)的進(jìn)行，還可能由于溫度越高，堿性品藍(lán)在溶液中溶解性越好，分子運(yùn)動(dòng)越激烈，堿性品藍(lán)和高爐渣之間的吸附力越弱，從而導(dǎo)致其去除率和吸附量都呈下降趨勢(shì)。綜合考慮實(shí)際工程應(yīng)用的投資、成本、操作等因素，本次實(shí)驗(yàn)均采用室溫(25 ℃)，此時(shí)堿性品藍(lán)的最大去除率為78.31%。

圖6　吸附溫度對(duì)堿性品藍(lán)吸附的影響Fig.6　Effect of temperature on the adsorption of Basic Royal Blue

圖7　高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)的吸附等溫線Fig.7　Isotherm for adsorption of Basic Royal Blue on blast furnace slag

3.6吸附等溫線

吸附等溫線描述了吸附平衡濃度和吸附量之間的關(guān)系。圖7為高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)的吸附等溫線。

由圖7可知，一定量的高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)的吸附量隨堿性品藍(lán)初始濃度的增大而逐漸增大，最后達(dá)到吸附飽和狀態(tài)。原因在于，一定量的吸附劑表面的吸附位點(diǎn)數(shù)量有限，當(dāng)堿性品藍(lán)濃度較低時(shí)，高爐渣可以提供充足的活性位點(diǎn)，因而吸附量增加較快；當(dāng)堿性品藍(lán)濃度較高時(shí)，活性位點(diǎn)則變得相對(duì)不足，吸附位點(diǎn)容易達(dá)到吸附飽和，因而對(duì)堿性品藍(lán)的吸附量趨于極限。為了更好對(duì)高爐渣吸附堿性品藍(lán)進(jìn)行研究，分別采用Langmuir和Freundlich模型對(duì)圖7的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，Langmuir等溫模型是基于3個(gè)假設(shè)及1個(gè)動(dòng)力學(xué)原則而建立的。這3個(gè)假設(shè)是：吸附作用局限于單分子層吸附；吸附劑表面的吸附位點(diǎn)具有同一性；單個(gè)吸附位點(diǎn)的吸附作用不受相鄰吸附位點(diǎn)的影響。1個(gè)動(dòng)力學(xué)原則是：平衡時(shí)吸附劑表面的吸附速率與解吸速率相等[10]，而Freundlich等溫模型是以實(shí)驗(yàn)觀察為依據(jù)而建立的經(jīng)驗(yàn)公式，假設(shè)的是在復(fù)雜表面上進(jìn)行的吸附過(guò)程，其擬合結(jié)果見表2。

Langmuir等溫吸附模型為：

Ce/qe=1/bqm+Ce/qm

(8)

Freundlich等溫吸附模型為：

lgqe=lga+(1/n)lgCe

(9)

式中：Ce為吸附平衡時(shí)溶液中堿性品藍(lán)的濃度，mg/L；qe為平衡時(shí)吸附量，mg/g；qm為吸附劑的最大吸附量，mg/g；b為L(zhǎng)angmuir吸附常數(shù)，L/mg；a和n分別為Freundlich吸附常數(shù)和吸附強(qiáng)度。

表2　高爐渣吸附堿性品藍(lán)的等溫線參數(shù)

由表2可見，在不同溫度下，F(xiàn)reundlich等溫線能夠較好的擬合，相關(guān)系數(shù)均大于0.96，比Langmuir模型的相關(guān)系數(shù)高，因此高爐渣吸附劑對(duì)堿性品藍(lán)的等溫吸附過(guò)程更符合Freundlich模型，說(shuō)明高爐渣吸附堿性品紅的過(guò)程并非單分子層吸附理論，即高爐渣不是完全依靠活性基因吸附堿性品藍(lán)，而且每個(gè)基團(tuán)不止吸附一個(gè)分子，當(dāng)活性基團(tuán)被完全占據(jù)后，吸附還可繼續(xù)進(jìn)行[11]。在 Freundlich 方程中，a隨著溫度的升高而增大，說(shuō)明隨著溫度的升高，堿性品藍(lán)在高爐渣吸附劑上是向著有利于吸附的方向進(jìn)行的[12]。Freundlich模型中的1/n與堿性品藍(lán)表面的不均勻性有關(guān)，當(dāng)0<1/n<1，吸附易于進(jìn)行；當(dāng)1/n時(shí)，吸附是均勻的，被吸附物質(zhì)之間未發(fā)生相互作用；當(dāng)1/n>1時(shí)，吸附不易進(jìn)行[13]。有表中數(shù)據(jù)計(jì)算可得，都是0<1/n<1,說(shuō)明高爐渣吸附堿性品藍(lán)的吸附反應(yīng)易于發(fā)生。

3.7吸附動(dòng)力學(xué)

為了更好的研究高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)的吸附動(dòng)力學(xué)特征，找到最適合描述吸附過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，分別采用擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程對(duì)2.2節(jié)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程假設(shè)吸附速率與吸附劑表面未被吸附的量成正比，偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程是基于假定吸附速率受化學(xué)吸附機(jī)理的控制，該機(jī)理涉及到吸附劑與吸附質(zhì)之間的電子共用或電子轉(zhuǎn)移[13]，顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程描述的是由多個(gè)擴(kuò)散機(jī)制控制的過(guò)程，最適合描述物質(zhì)在顆粒內(nèi)部擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，而對(duì)于顆粒表面、液膜內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程往往不適應(yīng)[14]，各個(gè)動(dòng)力學(xué)方程的積分形式分別如下所示：

偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程

lg(qe-qt)=lgqe-k1t/2.303

(10)

偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程

(11)

顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程

qt=kpt1/2+C

(12)

式中：t為吸附時(shí)間，min；qt為t時(shí)刻的吸附量，mg/g；qe為平衡時(shí)刻吸附量，mg/g；k1為擬一級(jí)速率常數(shù)，min-1；k2為擬二級(jí)速率常數(shù)，g/(mg·min)；kp為顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)，(mg·min-1/2)/g；C為顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程的截距。

擬合結(jié)果見表3。由表3可以看出，偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的擬合程度相對(duì)于偽二級(jí)較差，R2均小于0.60，這是因?yàn)閭我患?jí)動(dòng)力學(xué)方程本身具有局限性，偽一級(jí)模型作圖前需要知道qe值，但在實(shí)際吸附操作過(guò)程中，真正達(dá)到吸附平衡需要很長(zhǎng)時(shí)間，不好控制具體是在哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)剛好達(dá)到平衡，因此偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程往往只適合吸附初級(jí)階段的動(dòng)力學(xué)描述。偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的擬合程度最好，R2均大于0.998，高爐渣對(duì)堿性品藍(lán)的吸附過(guò)程能夠很好地符合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，因?yàn)閭味?jí)動(dòng)力學(xué)模型包含了吸附的所有過(guò)程，如外部液膜擴(kuò)散、表面吸附和顆粒內(nèi)部擴(kuò)散等，所以偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠真實(shí)地反映出堿性品藍(lán)在高爐渣上的吸附機(jī)理。顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程的擬合程度相對(duì)偽二級(jí)也較差，R2均小于0.60，當(dāng)顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程中qt與t0.5呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系且通過(guò)原點(diǎn)時(shí)，則說(shuō)明物質(zhì)在顆粒內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程是吸附速率的唯一控制步驟[15]。由表3可知，堿性品藍(lán)的qt與t0.5呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，但C值均不等于0，即不通過(guò)原點(diǎn)，這表明堿性品藍(lán)在高爐渣吸附劑上吸附的顆粒內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程是該吸附速率的控制過(guò)程，但不是唯一的速率控制步驟，這也說(shuō)明吸附速率同時(shí)還受顆粒外擴(kuò)散過(guò)程控制，這可能是由于高爐渣吸附劑上的陽(yáng)離子脫附時(shí)阻礙堿性品藍(lán)在表面的擴(kuò)散造成的。

表3　高爐渣吸附堿性品藍(lán)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

4　結(jié)　論

(1)通過(guò)以高爐渣作為吸附劑吸附含堿性品藍(lán)廢水的實(shí)驗(yàn)研究可得：當(dāng)吸附溫度為室溫(25 ℃)、吸附劑投加量為0.4 g、吸附時(shí)間為120 min、廢水pH值為8、初始?jí)A性品藍(lán)濃度為100 mg/L、離子強(qiáng)度為0 mol/L 時(shí)，堿性品藍(lán)去除率達(dá)到78.31 %;

(2)通過(guò)吸附等溫線和吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)得知高爐渣吸附堿性品藍(lán)符合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Freundlich吸附等溫線模型，并且其吸附過(guò)程是容易發(fā)生的;

(3)與其他去除堿性品藍(lán)方法相比，高爐渣吸附法具有工藝簡(jiǎn)單、以廢治廢、成本低廉、處理效果好等優(yōu)勢(shì)，因而具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 胡康博，王毅力，李春榮，等.改性蒙脫土顆粒吸附直接染料的分形特征[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(11): 2174-2183.

[2] 胡清，王怡中，湯鴻霄.多相光催化氧化的理論與實(shí)踐發(fā)展[J]. 環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1995，3(1):55-62.

[3] 左國(guó)防，楊聲，王小芳.太陽(yáng)光- 二氧化鈦催化降解水中有機(jī)污染物的研究[J]. 天水師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,21(2)：42-43.

[4] 李秀艷，劉平安，曾令可，等.納米ZnO光催化降解甲基橙研究[J]. 分析測(cè)試學(xué)報(bào)，2007,26(1)：38-41.

[5] 何正艷，齊亞鳳，余軍霞，等.改性生物吸附劑對(duì)堿性品紅的吸附行為研究[J]. 化學(xué)工程師，2011，7(30)：1002-1124.

[6] 吳達(dá)華，吳永革，林蓉.高爐水淬礦渣結(jié)構(gòu)特性及水化機(jī)理[J]. 石油鉆探技術(shù)，1997，25(1)：31-33.

[7] 李紫薇，李小敏，袁圣銀，等.棉桿對(duì)水中堿性品紅的吸附研究[J]．水處理技術(shù)，2015，41(4)：1000-3770.

[8] Lan Y,Wang Y H,Huang C B.Removal ofanionic ions from single material solution by bauxite tailings modified with FO[J].J.Cent,SouthUniv.,Technol,2008,15:656-662.

[9] Wang M，Revil A.Electrochemical charge of silica surfaces at high ionic strength in narrow channels[J].ColloidandInterfaceScience，2010，343(1): 381-381.

[10] Febrianto J，Kosasih A N，Sunarso J，et al．Equilibrium and kinetic studies in adsorption of heavy metals using biosorbent：A summary of recent studies[J]．J.Hazardmater，2009,162(2-3)：616-645

[11] 周艷，施文健，楊琴淋. 717 型陰離子交換樹脂吸附水溶性芳香族有機(jī)污染物研究[J].離子交換與吸附，2012，28(4)：289-298.

[12] Mishra P C,Patel R K. Removal of lead and zinc ions from water by low cost adsorbents[J].J.Hazard.Mater,2009, 168: 319-325.

[13] Rauf M A，Bukallah S B，Hamour F A，et al．Adsorption of dyes from aqueous solutions onto sand and their kinetic behavior[J].ChemicalEngineeringJournals，2008，137(2)：238-243.

[14] Ho Y S，MCKAY G．Pseudo-second kinetics order model for sorption processes[J]．ProcessBiochem， 1999,34(5)：451-465.

[15] Weber W J J，Morriss J C．Kinetics of adsorption on carbon from solution[J]．JournaloftheSanitaryEngineeringDivision，AmericanSocietyofCivilEngineers，1963,89(1)：31-60.

[16] Mamdouh M N．Intraparticle diffusion of basic red and basic yellow dyes on plam fruit bunch[J]．WaterSienceandTechnology，1999,40(7)：133-139.

Adsorption Properties of Basic Blue from Aqueous Solution by Blast Furnace Slag

CHENLi-rong1,ZHANGSi-si1,WANGZhe1,2

(1.Energy Resources and Environment Engineering School,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;2.Resources and Environmental Research Academy,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

In this work, the removal of basic blue from aqueous solution by adsorption on blast furnace slag was investigated. The physicochemical properties of the slag were characterized by ICP and SEM. Batch experiments were studied to test the effect of the adsorbent dosage, pH, initial concentration of basic blue, temperature, ionic strength and contact time on the removal of basic blue. The adsorption mechanism was discussed from the kinetic and isothermal adsorption model. The results showed that the removal efficiency was up to 78.31% under the conditions of pH=8, adsorption temperature of 25 ℃, dosage of 0.4 g, reaction time of 120 min, initial concentration of basic blue at 100 mg/L and ionic strength at 0 mol/L. The adsorption process was found to follow pseudo-second-order kinetic model and Freundlich isotherm model. These results will have significant implications for the treatment of basic blue wastewater by adsorption on low-cost adsorbents.

blast furnace slag; adsorption;basic blue;adsorption isotherm;adsorption kinetics

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目(NJ2Y13149)

陳莉榮(1971-)，女，碩士，教授.主要從事固體廢棄物資源化方面的研究.

張思思，碩士研究生.

TQ028

A

1001-1625(2016)03-0758-07