鋸末對亞甲基藍的吸附條件優(yōu)化

雷生煜，趙航航，沈 州，張 冰，席海朋，高偉峰，王彥民

(1.陜西理工大學化學與環(huán)境科學學院，陜西 漢中 723001；2.秦巴山區(qū)生物資源綜合開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 漢中 723001)

鋸末對亞甲基藍的吸附條件優(yōu)化

雷生煜，趙航航，沈 州，張 冰，席海朋，高偉峰，王彥民

(1.陜西理工大學化學與環(huán)境科學學院，陜西 漢中 723001；2.秦巴山區(qū)生物資源綜合開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 漢中 723001)

本文以水熱KOH溶液處理后的楓香木鋸末為吸附材料，對溶液中的亞甲基藍染料進行吸附去除。采用響應曲面法設計實驗，獲得的最佳工藝條件為：吸附劑投加量0.24g，染料初始濃度33mg·L-1，時間193min，鋸末對亞甲基藍的去除率為98.87%。

鋸末；亞甲基藍；吸附；響應曲面法

大多數(shù)有機染料具有高毒性，在環(huán)境中難以自然降解，由染料廢水引起的環(huán)境問題日趨嚴重。吸附法是處理印染廢水的一種有效手段，活性炭、纖維樹脂及蒙脫石等是常用的吸附材料[1]。秸稈、蕎麥皮、棗核、玉米芯等農(nóng)林廢棄物[2-5]具有價格低廉、原材料來源廣等優(yōu)點，經(jīng)過簡單處理即可用于染料吸附，因此受到關注。用酸、堿、表面活性劑等對農(nóng)林廢棄物進行改性處理[6-8]，可進一步提高材料的吸附性能。本研究用水熱KOH溶液處理楓香木鋸末，制備的吸附材料用于吸附去除溶液中的亞甲基藍，采用響應曲面法對吸附條件進行了優(yōu)化。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及試劑

去離子水浸泡楓香木鋸末24h，淘洗鋸末至溶液無色，烘干，用尼龍篩篩分，稱取0.241～0.375mm的鋸末5.0g置于100mL聚四氟乙烯水熱反應釜中，加入1.0mol·L-1的KOH溶液25mL，密封后置于烘箱中，140℃保持3h。待反應釜冷卻，取出固體，用超純水洗滌至溶液無色，固體烘干后作為吸附材料。

稱取（2.0±0.0001）g亞甲基藍溶于500mL容量瓶，配制成4000mg·L-1的亞甲基藍儲備液。通過稀釋儲備液得到不同濃度的亞甲基藍模擬廢水。

1.2 實驗方法

1.2.1 單因素吸附實驗

考察吸附劑投加量、染料初始濃度、吸附時間這3個因素對亞甲基藍去除率的影響。在100 mL具塞碘量瓶中加入50mL一定濃度的亞甲基藍溶液，調節(jié)pH至7，加入一定量經(jīng)過處理的鋸末，30℃恒溫震蕩吸附一定時間，取上層清液測定吸光度。

1.2.2 響應曲面法設計實驗

對上述3個因素進一步采用響應曲面法進行優(yōu)化，取值范圍分別為：投加量0.05～0.25g，吸附時間10～240min，初始濃度10～200mg·L-1，以去除率為響應值進行17組實驗，具體實驗設計見2.4節(jié)。

1.2.3 亞甲基藍濃度測定及計算公式

配制濃度為2、6、10、14、18 mg·L-1的亞甲基藍標準溶液，用可見分光光度計測定吸光度（亞甲基藍特征吸收波長λ=664 nm），繪制濃度-吸光度曲線，得到擬合方程：

亞甲基藍去除率計算公式：

式中：Y為亞甲基藍去除率，%；c0、c分別為吸附前、后亞甲基藍濃度，mg·L-1。

2 結果與討論

2.1 鋸末投加量對去除率的影響

鋸末投加量對亞甲基藍去除率的影響見圖1。鋸末投加量在0.05～0.15g，亞甲基藍去除率增加較快，由85.5%增加到96.5%；超過0.15g，去除率增長緩慢，吸附趨于飽和。取0.15g為最佳投加量，此時去除率為96.5%。

圖1 鋸末投加量對亞甲基藍去除率影響Fig.1 Effect of dosage on removal efficiency

2.2 初始濃度對去除率的影響

亞甲基藍初始濃度對去除率的影響見圖2。10mg·L-1時亞甲基藍去除率最高，為97.82%，去除率隨濃度增加而降低。濃度為100mg·L-1時的去除率為95.74%，與50mg·L-1時相比，減少了0.58%，但比150mg·L-1時高出1.05%。0.15g鋸末處理濃度為100mg·L-1的亞甲基藍廢水較適宜。

圖2 初始濃度對亞甲基藍去除率影響Fig.2 Effect of initial concentration on removal efficiency

2.3 吸附時間對去除率的影響

吸附時間對亞甲基藍去除率的影響見圖3。0～10min內去除率增長迅速，10min的去除率達到96%，說明鋸末對亞甲基藍的吸附很迅速，前10min內基本完成。30min后，去除率增加緩慢，120min后吸附基本達到平衡，去除率基本穩(wěn)定在98.3%。

圖3 吸附時間對亞甲基藍去除率影響Fig.3 Effect of contact time on removal efficiency

2.4 響應曲面法對吸附工藝參數(shù)優(yōu)化

進一步對吸附劑投加量（A）、吸附時間（B）、染料初始濃度（C）3個因素進行優(yōu)化，實驗方案及結果見表1。利用Design-Expert 5.0.8.0軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，得到各因素對響應曲面的回歸模型方程：

圖4顯示去除率的實驗值與預測值較好地落在一條直線上，說明該模型可以用于分析和預測該吸附過程?；貧w方程方差分析見表2。表2中模型的P＜0.0001，差異高度顯著，說明模型適合。校正系數(shù)R2

Adj=0.9956，說明模型能解釋99.56%響應值的變化，且擬合度良好。A、B、C的P＜0.0001，說明投加量、時間、濃度對亞甲基藍吸附有顯著影響，3個因素的影響順序為：投加量＞時間＞濃度。

圖4 亞甲基藍去除率實際值與預測值比較Fig.4 The experimental data versus the predicted data of normalized removal of dye.

圖5是響應值對3個因素構成的響應曲面圖。圖5（a）、（b）曲面較陡峭，說明濃度和時間、濃度和投加量的交互作用較強，圖5（c）曲面較平緩，說明投加量和時間交互作用較弱。圖5（a）中，固定投加量，延長吸附時間有利于亞甲基藍去除，但在同一吸附時間下，去除率隨初始濃度增大而降低，兩者變化趨勢不同，表明增加吸附時間和降低初始濃度均能提高亞甲基藍去除率。圖5（b）中，固定吸附時間，去除率隨投加量增加而增加，在同一投加量下，去除率隨初始濃度增加而降低，表明增加投加量和降低染料濃度才能提高亞甲基藍的去除率。圖5（c）中，固定初始濃度，增加投加量和延長時間均有利于提高亞甲基藍去除率。

表1 實驗方案及結果Tab.1 Design and results of the central composite designs

表2 回歸方程方差分析Tab.2 Analysis of variance (ANOVA) for regression equation

圖5 實驗因素交互影響去除率曲面圖Fig.5 Response surfaces for the central composite designs

通過響應曲面分析優(yōu)化，得到鋸末對亞甲基藍吸附的最佳工藝條件為：鋸末投加量0.24g，吸附時間192.93min，初始濃度33.38mg·L-1。為便于驗證實驗操作，條件修正為：投加量0.24g，吸附時間193min，初始濃度33 mg·L-1，進行3次平行實驗，亞甲基藍去除率均值為98.87%，誤差1.12%。

3 結論

單因素實驗表明，鋸末對亞甲基藍的最佳吸附條件為：鋸末投加量0.15g，染料初始濃度100mg·L-1，吸附時間120min，去除率為96.47%。采用響應曲面法優(yōu)化得到的最佳條件為：鋸末投加量0.24g，染料初始濃度33mg·L-1，吸附時間193min，去除率為98.87%。

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Optimization for Adsorption of Methylene Blue with Sawdust

LEI Shengyu, ZHAO Hanghang, SHEN Zhou, ZHANG Bin, XI Haipeng, GAO Weifeng, WANG Yanmin
(1.School of Chemistry and Environmental Science, Shaanxi Sci-Tech Universi ty, Hanzhong 723001, China; 2. Qinling-Bashan Mountains Bioresources Comprehensive Development C.I.C of Shaanxi Province, Hanzhong 723001, China)

In this study, maple wood sawdust which treated with hydrothermal KOH solution, was used to remove methylene blue from dye wastewater. Optimization using central composite design (CCD) for adsorption of dye was carried out. Under the optimization conditions as dosage of adsorbent was 0.24g, initial concentration of dye was 33 mg/L, contact time was 193 min, the removal effi ciency was 98.87%.

sawdust; methylene blue; adsorption; response surface methodology

X 703.1

A

1671-9905(2017)03-0036-04

陜西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(2241)；秦巴山區(qū)生物資源綜合開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心自然科學項目[QBXT-Z(P)-15-17]

王彥民，博士，講師，主要從事固體廢棄物資源化利用研究，E-mail: wangyanmin_207@163.com

2017-01-11