改性花生殼吸附亞甲基藍的研究

雷 娟

(太原工業(yè)學院 環(huán)境與安全工程系,山西 太原 030008)

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改性花生殼吸附亞甲基藍的研究

雷 娟

(太原工業(yè)學院 環(huán)境與安全工程系,山西 太原 030008)

通過考察不同吸附劑投加量、吸附時間、溶液初始濃度及pH等條件下的吸附情況，分析研究吸附過程的動力學,綜合研究高錳酸鉀改性花生殼吸附亞甲基藍的特性．結果表明:吸附4 h達到平衡,吸附過程更符合準二級動力學模型．在25 ℃,pH為7,亞甲基藍初始濃度為10 mg/L,改性花生殼投加量為0.8 g時,吸附率為85.48%,表明該改性花生殼對重金屬離子和亞甲基藍均有較好的吸附能力．

改性花生殼;亞甲基藍;吸附

隨著染料和紡織工業(yè)的發(fā)展,每年有大量的染料廢水排放入水體中,又因其色度大,濃度高,成分復雜等特點而成為水體的重要污染源[1].在其主要處理方法如化學法、生物法和物理法中,操作簡便且二次污染小的吸附法,特別是像把花生殼、玉米秸稈等來源廣泛、價格低廉的各種生物質作為吸附劑,經(jīng)改性可大大提高吸附性能等優(yōu)勢,使得此類方法受到人們的廣泛關注[2]．

高錳酸鉀改性花生殼是在前期的研究中制備出的對水體中Cd2+和Pb2+有較好吸附性能的改性生物質吸附劑[3],而染料廢水和重金屬廢水是我國兩種比較典型的工業(yè)廢水,均為我國水體的重要污染源．所以通過考察在不同影響因素條件下,該改性花生殼對水體中MB的吸附情況,結合對其吸附過程動力學的模型擬合分析,研究了高錳酸鉀改性花生殼吸附亞甲基藍的特性,為日后將改性花生殼作吸附劑吸附重金屬及染料的研究提供一定的理論基礎．

1 材料和方法

1.1 改性花生殼的制備

將買來的花生殼用自來水浸泡3～4 h然后清洗掉其上的灰塵,再用去離子水將花生殼清洗兩到三遍,然后在60 ℃的溫度下烘箱中烘干至恒重,剪成均勻的大小為1 cm2左右的小塊,將預處理后的花生殼置入事先配好質量濃度為15 g·L-1的KMnO4溶液中,準備1000 mL的大燒杯,花生殼與改性溶液的質量濃度為10 g·L-1,磁力攪拌器攪拌反應24 h,取出后用去離子水沖洗直至出水清澈,然后在60 ℃烘箱中烘干至恒重,密封保存?zhèn)溆肹3]．

1.2 吸附實驗

采用批量平衡震蕩實驗,向三角瓶中先后加入一定量的改性花生殼及一定濃度的對應固液比亞甲基藍溶液,室溫下將其放入轉速為150 r·min-1搖床中,達到吸附平衡時間后取上清液,用可見分光光度計在波長為668 nm下測定亞甲基藍的平衡濃度[4],每組三個平行實驗,取平均值為最后結果．實驗過程中溶液的量均取50 ml,用稀HCl或NaOH來調節(jié)pH．

按如下公式計算改性花生殼對亞甲基藍的吸附效果:Q和qe分別表示吸附率和吸附容量．

(1)

其中:Q為平衡吸附率(%);C0是溶液中MB的初始濃度(mg/L);Ce是平衡時溶液中MB的濃度(mg/L)．

(2)

其中,qe為平衡吸附容量(mg/g);C0和Ce分別是溶液中MB的初始濃度和平衡濃度(mg/L);V是MB溶液的體積(ml);m是改性花生殼的質量(g)．

2 結果與討論

2.1 亞甲基藍溶液的標準曲線

繪制亞甲基藍溶液的標準曲線,亞甲基藍溶液的標準曲線如表1所示:

表1 不同濃度亞甲基藍溶液的吸光度

2.2 改性花生殼投加量對吸附的影響

不同投加量下,改性花生殼對MB的吸附效果如圖2所示,在50 ml的亞甲基藍溶液中,改性花生殼對MB的去除率和其單位質量的吸附量隨其投加量的增加呈兩種相反的變化趨勢,前者逐漸升高,后者明顯降低．當花生殼投加量分別為0.8 g和1 g時,去除率可分別達到85.48%和94.23%,吸附量分別為0.53 mg/g和0.47 mg/g,綜合考慮吸附劑與廢水的固液比及吸附效果,后續(xù)研究中吸附劑投加量均設置為0.8 g．

圖1 亞甲基藍溶液的標準曲線

圖2 改性花生殼投加量對吸附的影響

2.3 吸附時間對吸附的影響

圖3 吸附受吸附時間的影響

圖3展示了改性花生殼對MB的吸附率隨時間的變化趨勢,可以看出前2 h內,吸附量隨著時間的增長明顯上升,尤其是前1 h,吸附率由5 min的13.35%增加到1 h時的68.56%,這可能是由于短時間內亞甲基藍首先被大量吸附在改性花生殼的表面,而隨著時間的增加,改性花生殼表面的吸附位點被逐漸占據(jù),溶液中亞甲基藍的濃度減小,而花生殼表面的亞甲基藍濃度升高,界面兩側濃度差減小,從而導致推動力減小,因此之后曲線依然呈上升趨勢,但卻明顯變緩,到4 h之后,曲線基本不再變化,說明吸附已經(jīng)達到平衡,由此得出吸附的平衡時間為4 h．

2.4 溶液初始pH對吸附的影響

不同溶液初始pH對MB吸附的影響如圖4所示, 改性花生殼對MB的去除率在溶液初始pH由1～7的變化過程中不斷升高,之后隨著pH值由7～11的升高吸附率幾乎保持不變．這可能是因為亞甲基藍為陽離子染料,在水中帶正電荷．在酸性環(huán)境中,對于改性花生殼上固定的吸附位點,溶液中大量的H+與MB形成競爭關系,占據(jù)吸附位點[5]．而當溶液環(huán)境變?yōu)閴A性時,H+與MB的競爭優(yōu)勢降低,且改性花生殼表面呈負電性[6],更有利于吸附亞甲基藍這種陽離子染料,使其吸附量增加．所以在堿性溶液中更有利于改性花生殼吸附亞甲基藍,而堿性強度大小對吸附效果的影響不明顯．故吸附的最佳pH值為7．

2.5 溶液初始濃度對吸附的影響

由圖5所示,在實驗所取的濃度條件下,亞甲基藍初始濃度越大,單位質量改性花生殼對其吸附量也越大．這可能是因為隨著溶液初始濃度的增大,有更多的亞甲基藍占據(jù)改性花生殼表面的吸附位點,從而使單位質量的花生殼吸附量提高．

而吸附率的變化趨勢略有不同,MB濃度在20 mg/L前隨著溶液初始濃度增加,吸附率不斷上升,而在20 mg/L～50 mg/L之間,吸附率隨著濃度增加略呈獻下降趨勢,這可能是因為在較低濃度范圍內,隨著MB濃度的升高,在吸附到達平衡的過程中,吸附劑表面可以吸附更多的MB以達到吸附飽和,從而使吸附率不斷上升．而溶液濃度較高時,由于溶液中MB相對較多,更容易使吸附飽和,從而使整體的吸附率略下降．初始濃度由10 mg/L上升到20 mg/L時,吸附率升高不多,所以實驗中溶液初始濃度取10 mg/L．

圖4 吸附受溶液初始pH的影響

圖5 溶液初始濃度對吸附的影響

2.6 吸附動力學

為進一步研究吸附過程的動力學特性,將實驗數(shù)據(jù)分別用準一級和準二級動力學模型進行擬合分析．

如下的公式(3)和公式(4)分別為準一級和準二級動力學的線性擬合方程式[7]:

(3)

(4)

其中,qt和qe分別為改性花生殼在時間t時和吸附達到平衡時的吸附容量,單位均為mg/g;

k1代表準一級動力學常數(shù),單位為1/min;

k2代表準二級動力學速率常數(shù),單位為g·mg-1·min-1．

兩種動力學線性擬合模型分別如圖6(a)和(b)所示,其中準二級動力學模型擬合相關系數(shù)R2更高,可達到0.999．通過進一步比較分析表2中各擬合參數(shù)可知,根據(jù)準二級動力學模型計算得到的平衡吸附量0.55 mg/g與實驗實測值0.52 mg/g更為接近,表明改性花生殼吸附MB準二級動力學能更好的解釋吸附到達平衡的過程．

圖6 動力學模型擬合曲線

表2 2種吸附動力學模型的擬合參數(shù)

3 結論

1)在25 ℃,pH為7,亞甲基藍初始濃度為10 mg/L,改性花生殼投加量為0.8 g時,吸附率為85.48%,表明該改性花生殼對重金屬離子和亞甲基藍均有較好的吸附能力．改性花生殼對亞甲基藍的吸附4 h達到平衡,準二級動力學模型能更好的解釋吸附達到平衡的過程．

2)堿性溶液中更有利于改性花生殼吸附亞甲基藍,但堿性強度大小對吸附效果的影響不明顯．

[1] 尚 娜,范順利,胡蓓蓓，等.磷酸改性玉米芯吸附劑對水中亞甲基藍的吸附研究[J].河南師范大學學報(自然科學版),2015,43(6):59-64

[2] Saad S A,Isa K Md,Bahari R.Chemically Modified sugarcane bagasse as a potentially low-cost biosorbent for dye removal[J].Desallnation,2010,264:123-128

[3] 林芳芳,易筱筠,黨 志，等.改性花生殼對水中Cd2+和Pb2+的吸附研究[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2011，30(7):1404-1408

[4] 孫 杰,田奇峰.松樹鋸末對亞甲基藍的吸附研究[J].環(huán)境工程學報,2012,6(2):419-422

[5] 郝一男,王喜明,丁立軍.超聲波處理文冠果果殼制備的活性炭對亞甲基藍溶液的吸附[J].東北農業(yè)大學學報,2011,42(11):77-82

[6] 雷 娟,易筱筠,楊 琛，等.高錳酸鉀改性花生殼吸附Cd2+和Pd2+的特性和機理的研究[J].環(huán)境工程學報,2014,8(5):1775-1783

[7] 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.Hazard.Mater.,2009,162(2-3),616-645

Studies on the Adsorption of Methylene Blue(MB) on Modified Peanut Shell

LEI Juan

(Department of Environmental and Safety Engineering, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008, China)

Influence of adsorbent quantity、initial solution pH、adsorption time and the initial concentration of solution on adsorption were investigated to infer the adsorption characters of MB on Potassium Permanganate modified peanut shell. Furthermore, the adsorption kinetic curve were fitted. The results indicated that the adsorption reached equilibrium after 4 h. The adsorption kinetic datas of MB well fittedpseudo-second-order kinetic model. When the initial concentration of adsorbate solution was about 10 mg/L, the adsorption capacity of the peanut shell to MB were 85.48% under the condition at 25 ℃ pH was 7 and the peanut shell quantity was 0.8 g, showed the good adsorption ability of modified peanut shell for heavy metal ions and methylene blue.

modified peanut shell; methylene blue; adsorption

2016-06-27

國家自然科學基金項目(41073088); 國家水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07211001).

雷 娟(1987-),女,山西臨汾人,碩士，太原工業(yè)學院助教，主要從事水體污染處理研究.

1672-2027(2016)03-0087-04

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