PVA多孔炭對(duì)染料廢水吸附性能的研究

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都，610065)

1 引言

染料廢水產(chǎn)量大、成分復(fù)雜、難降解，嚴(yán)重危害自然環(huán)境和人類健康[1-3]。吸附法能夠高效脫除多種有害污染物，并且能耗低，操作簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生新的污染物，在染料廢水處理方面應(yīng)用廣泛?；钚蕴靠紫栋l(fā)達(dá)可調(diào)，化學(xué)穩(wěn)定性好，吸附能力優(yōu)異[4-9]。

模板法制備的多孔炭材料孔結(jié)構(gòu)均一、結(jié)構(gòu)有序[10-11]。常用的模板為二氧化硅，但后期需去除模板劑，一氧化錳(MnO)熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性良好且易除去因此可作為模板劑制備多孔炭[12]。本研究應(yīng)用非氧化性錳鹽作為模板劑前體，以其熱解產(chǎn)生的MnO為模板劑，以PVA為炭前驅(qū)體，制備多孔炭材料，并將其作為染料吸附劑，考察其對(duì)酸性紅88(AR88)的吸附效果，討論吸附時(shí)間、吸附溫度和初始濃度對(duì)吸附效果的影響。研究其吸附動(dòng)力學(xué)，為活性炭吸附處理染料廢水提供了依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

PVA粉末：太倉(cāng)凱爾達(dá)塑膠原料有限公司；草酸錳：成都市科龍化工試劑廠；碳酸錳：成都市科龍化工試劑廠；乙酸錳：成都市科龍化工試劑廠；硫酸：體積分?jǐn)?shù)10%，成都市科龍化工試劑廠；酸性紅88：成都市科龍化工試劑廠。

管式爐：OFT-1200X，合肥科晶體材料技術(shù)有限公司；紫外分光光度計(jì)：UV-1100，上海美譜達(dá)儀器有限公司。

2.2 PVA多孔炭的制備

本實(shí)驗(yàn)采用PVA為碳源，MnC2O4、MnCO3和Mn(CH3COO)2為模板劑前體，其中PVA：MnO質(zhì)量比為1:3。將 PVA 粉末與模板劑前體液相混合均勻后干燥。在氮?dú)鈿夥罩?，將其置于管式爐中炭化1h，冷卻至室溫后即可得到PVA中孔炭。酸洗去除其中的模板劑然后水洗至中性烘干后備用。

2.3 吸附實(shí)驗(yàn)

量取定量的150～350mg/L的AR88溶液于錐形瓶中，PVA多孔炭的投加量為0.2 g/L，在15～55℃下，振蕩0.5～30min后，快速過(guò)濾。用紫外分光光度計(jì)在503nm下測(cè)定濾液的吸光度。按照下式計(jì)算AR88的吸附量：

式中，q：吸附量，mg/g；C0和Ce分別為吸附平衡前后溶液的濃度，mg/L；v：溶液體積，L；m：活性炭的質(zhì)量，g。

3 結(jié)果與分析

3.1 吸附時(shí)間對(duì)AR88吸附的影響

吸附時(shí)間對(duì)AR88吸附的影響見(jiàn)圖1(a)，由圖1(a)可知，隨著時(shí)間的增加，各樣品吸附量不斷增加，吸附速率先升高后逐漸降低，最后趨于飽和。在5 min時(shí)吸附趨于飽和。MO的吸附量最高達(dá)到了3.08 mmol/g左右，MC次之，最高為2.75 mmol/g，MA吸附量最低，最高為1.20 mmol/g。在吸附過(guò)程中，染料分子首先受到邊界層效應(yīng)的影響，然后通過(guò)外膜擴(kuò)散、表面吸附和內(nèi)部擴(kuò)散進(jìn)入活性炭孔隙中。制得的樣品富含中孔，這利于孔徑較大的染料分子的擴(kuò)散，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)吸附量較高。

3.2 吸附動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)三種PVA多孔炭，在不同時(shí)間下對(duì)AR88的吸附量，采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(Pseudo-first-order model)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(Pseudo-second-order model)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，研究三種PVA多孔炭對(duì)AR88的吸附動(dòng)力學(xué)特性。

圖1 吸附時(shí)間(a)、初始濃度(b)、吸附溫度(c)對(duì) AR88吸附影響

污染物吸附劑準(zhǔn)一級(jí)準(zhǔn)二級(jí)QeK1R2QeK2R2MO1216.4317.5000.9981224.6020.0420.998AR88MC968.3351126.1210.987968.31221600.987MA440.9682.0950.913471.5920.0060.979

圖2 以不同模板劑制備的多孔炭對(duì)AR88的吸附動(dòng)力學(xué)

由圖2和表1可知，兩種模型都適合這三種活性炭對(duì)AR88吸附過(guò)程的描述，線性相關(guān)系數(shù)R2均大于 0.9，其中準(zhǔn)二級(jí)模型擬合性更好，線性相關(guān)系數(shù)R2均在 0.97以上，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)比較適合三種活性炭對(duì)AR88吸附過(guò)程進(jìn)行描述。

3.3 初始濃度對(duì)AR88吸附的影響

初始濃度對(duì)AR88吸附的影響見(jiàn)圖1(b)，由圖1(b)可知隨著初始濃度的增加，平衡吸附量不斷升高。MO平衡吸附量增加的最多，MO平衡吸附量增加的最多AR88的吸附量從1.86 mmol/g升高到3.42 mmol/g；MC次之；MO最小。MO的比表面積和中孔體積較大，對(duì)染料廢水的吸附量較大，隨著初始濃度的增加，平衡吸附量增加最快，平衡吸附量也最高。

3.4 吸附溫度對(duì)AR88吸附吸附的影響

吸附溫度對(duì)AR88吸附的影響見(jiàn)圖1(c)，由圖1(c)可知隨著溫度的增加，吸附量不斷降低。MC吸附量降低得最快，從2.79 mmol/g降低到2.53 mmol/g，吸附量受溫度的影響較大；MO、MA吸附量下降緩慢，吸附實(shí)驗(yàn)受溫度的影響不大。這說(shuō)明對(duì)AR88的吸附是放熱過(guò)程，溫度升高阻礙反應(yīng)向正方向進(jìn)行，導(dǎo)致中孔炭吸附能力下降，并且在高溫下，可能出現(xiàn)脫附，導(dǎo)致中孔炭的吸附容量和AR88去除率降低。MC吸附量降低的最快可能是因?yàn)槠湓诟邷叵聦?duì)AR88的吸附過(guò)程可能受溫度的影響更大，更不穩(wěn)定，也可能高溫導(dǎo)致的脫附發(fā)生的更快。

3.5 吸附等溫線分析

通過(guò) Langmuir 和 Freundlich 等溫吸附模型擬合并分析三種不同吸附劑對(duì)AR88 的吸附行為。在吸附AR88的過(guò)程中，吸附量隨著平衡濃度的增大而增加，當(dāng)平衡濃度達(dá)到某一定值，吸附量增加趨勢(shì)逐漸緩慢，中孔炭對(duì)AR88的吸附趨于飽和。

表2 不同模板劑制備活性炭的AR88吸附等溫線參數(shù)

圖3 以不同模板劑制備的多孔炭對(duì)AR88的吸附等溫線

由表2的吸附等溫模型及吸附等溫參數(shù)可知，F(xiàn)reundlich 等溫吸附模型可以較好地模擬中孔炭對(duì)AR88的吸附行為，其R2均大于0.8。說(shuō)明了AR88主要以多分子分子層形式吸附在活性炭的表面。n代表吸附過(guò)程強(qiáng)度，均大于1，說(shuō)明此吸附過(guò)程是容易進(jìn)行的過(guò)程。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以PVA為炭前驅(qū)體，分別以MO、MC和MA為模板劑前體，以其熱解產(chǎn)生的MnO為模板劑，PVA和MnO質(zhì)量比為1:3，制備三種PVA多孔炭，探究三種中孔炭對(duì)典型染料AR88的吸附效果。MnO在碳化期間具有較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，可以作為多孔炭的可行模板。隨著時(shí)間的增加，吸附量不斷增加，吸附速率先升高后逐漸降低，最后趨于飽和。隨著溫度的增加，吸附量不斷降低。對(duì)AR88染料的吸附是放熱過(guò)程。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)和Freundlich 等溫吸附模型適于對(duì)這三種中孔炭對(duì)染料廢水的吸附過(guò)程進(jìn)行描述。