核桃殼生物炭吸附處理羅丹明B的性能研究

李丙陽 劉國芳 趙子琦 趙楊楊 唐然肖

【摘?要】本文研究了核桃殼生物炭對羅丹明B的吸附特性，考察了吸附劑用量、溶液的pH、染料溶液濃度、氯化鈉對吸附平衡的影響。實驗結(jié)果表明核桃殼生物炭能有效吸附去除溶液中的羅丹明B，該吸附不受溶液pH和其它強(qiáng)電解質(zhì)的影響。而且核桃殼生物炭可回收再利用5次，去除率仍可達(dá)到93.17%。

【關(guān)鍵詞】核桃殼生物炭;吸附;羅丹明B

羅丹明B是一種人工合成的染料，在腈綸、造紙、油漆、鋼鐵、礦業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，但羅丹明B有毒，對人體會有潛在的致癌、致畸和致突變的危害[1]，處理羅丹明B的常用方法有電化學(xué)法、光催化降解法、吸附法、超聲降解法等[2-5]。其中吸附法具有操作方便、成本低廉、無二次污染、污染物去除率高[6-7]等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為普遍。近年來有關(guān)染料污染防治研究的重點(diǎn)是生物吸附[8-10]，即利用廉價、可再生、來源廣泛的生物質(zhì)材料吸附去除水體中的有機(jī)污染物。與傳統(tǒng)吸附劑相比，生物質(zhì)吸附劑具有表面積大、成本低、吸附效率高等優(yōu)點(diǎn)，生物質(zhì)材料不僅來源廣泛、價格低廉，還符合“變廢為寶”、“低碳環(huán)?！钡目沙掷m(xù)發(fā)展理念[11，12]。

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，核桃作為一種富含營養(yǎng)素的堅果類食品深受老百姓喜愛，每年核桃產(chǎn)量超過2×104噸，核桃殼既不能食用，也不能作牲畜飼料，卻是一種很好的生物質(zhì)，但多數(shù)核桃殼都被視作農(nóng)業(yè)廢棄物焚燒處理，這樣不僅會浪費(fèi)大量的生物質(zhì)，還會對環(huán)境造成污染。由于核桃殼中含有豐富的纖維素、木質(zhì)素等，可制成生物炭，核桃殼生物炭具有較強(qiáng)的吸附能力，可作為吸附劑吸附處理環(huán)境中的有機(jī)污染物。

本文欲用課題組制備所得的核桃殼生物炭吸附處理羅丹明B溶液，研究吸附劑用量、pH值、溶液濃度、其它強(qiáng)電解質(zhì)等因素對吸附平衡的影響，并進(jìn)一步探索吸附劑回收再利用的性能。

1. 吸附實驗

1.1吸附劑用量對吸附性能的影響

移取4份濃度為100 mg·L-1的羅丹明B溶液，分別按照下列標(biāo)準(zhǔn)加吸附劑0.10 g·L-1、0.25 g·L-1、0.50 g·L-1和0.75 g·L-1，置于恒溫振蕩器中，按設(shè)定時間依次取樣，過濾后測定溶液中殘留羅丹明B的濃度，計算核桃殼生物炭對羅丹明B的去除率R，計算公式如下：

其中，R是核桃殼生物炭對羅丹明B的去除率;c0為吸附前羅丹明B的濃度（mg·L-1）;ct是任一吸附時間時羅丹明B的濃度（mg·L-1）。

1.2 pH對吸附性能的影響

取濃度為100 mg·L-1的羅丹明B溶液于錐形瓶中，用0.10 mol·L-1HCl或NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH值，分別為2、4、6、9、11，加入最佳用量的核桃殼生物炭吸附劑，置于恒溫振蕩器中，按設(shè)定依次時間取樣，計算吸附的去除率R。

1.3吸附動力學(xué)實驗

取不同初始濃度的羅丹明B溶液，加入最佳用量的核桃殼生物炭，置于恒溫振蕩器中，按設(shè)定時間依次取樣，計算吸附的去除率R。

1.4 其他電解質(zhì)對吸附的影響

取三份濃度為100 mg·L-1的羅丹明B溶液，加入最佳用量的核桃殼生物炭，向溶液中分別加入1%、5%和10%的NaCl，置于恒溫振蕩器中，按設(shè)定時間依次取樣，計算吸附的去除率R。

1.5 吸附劑的再生實驗

取一定量濃度為100 mg·L-1的羅丹明B溶液，加入20 mg回收的核桃殼生物炭，置于恒溫振蕩器中，按設(shè)定時間依次取樣，計算吸附的去除率R。

2 結(jié)果與討論

2.1吸附劑的用量對吸附性能的影響

吸附劑的用量對去除率的影響見圖1。由圖可知，核桃殼生物炭對水中羅丹明B的去除率隨吸附劑用量的增加而增大。當(dāng)吸附劑用量達(dá)到0.5 g·L-1時，羅丹明B去除率為99.88%，達(dá)到去除羅丹明B的效果，再增加吸附劑的用量去除率變化不大，這是因為吸附劑用量越大，提供的吸附活性位點(diǎn)越多，所以核桃殼生物炭對水中羅丹明B的去除率越大;但是隨著再增加吸附劑用量時，由于吸附劑的重疊或聚合，導(dǎo)致吸附能利用的表面積和有效的吸附活性位點(diǎn)相應(yīng)減少。羅丹明B去除率反而變化不大?；谝陨峡紤]核桃殼生物炭的最佳用量選擇0.5 g·L-1。

2.2 溶液pH對吸附效果的影響

溶液pH是影響吸附平衡的一個重要因素，是實際吸附是否調(diào)節(jié)溶液pH的重要依據(jù)，實驗結(jié)果見圖2。由圖可知羅丹明B在核桃殼生物炭上的吸附不隨溶液pH變化而改變，pH基本維持在99%左右，因此在以后的實驗過程中不用調(diào)節(jié)溶液的pH值。

2.3溶液濃度的影響

在恒定溫度和溶液pH值條件下，羅丹明B的溶液濃度對吸附效果的影響見圖3。由圖中的數(shù)據(jù)可知，羅丹明B在核桃殼生物炭上的去除率隨溶液初始濃度的增加而降低，吸附達(dá)到平衡的時間也越長，但吸附羅丹明B溶液濃度范圍比較大，當(dāng)吸附劑用量為0.5 g·L-1，吸附120 min時，300 mg·L-1羅丹明B溶液的去除率能達(dá)到77.8%。

2.4其他強(qiáng)電解質(zhì)對吸附效果的影響

溶液中其他強(qiáng)電解質(zhì)的存在對吸附有重要的影響，是染料吸附處理需要考察的一個因素，本實驗以NaCl為例考察不同濃度強(qiáng)電解質(zhì)對吸附平衡的影響，實驗結(jié)果見表4。由表中數(shù)據(jù)可知，其他強(qiáng)電解質(zhì)NaCl的存在對羅丹明B在核桃殼生物炭上的吸附平衡沒有明顯的影響。

2.5吸附劑的重復(fù)再利用

將使用過的吸附劑進(jìn)行回收處理，并將其再用于吸附處理羅丹明B溶液，實驗結(jié)果見表2。

由表中的數(shù)據(jù)可知，核桃殼生物炭可重復(fù)再利用，重復(fù)使用5次去除率仍可達(dá)到93.17%，基本能達(dá)到去除廢水中羅丹明B的目的，所以核桃殼生物炭可重復(fù)再利用，符合低碳經(jīng)濟(jì)的概念。

3.結(jié)論

核桃殼生物炭吸附處理羅丹明B染料模擬廢水時，當(dāng)核桃殼生物炭的投加量是0.5 g·L-1時，羅丹明B的去除率為99.88%，并且該吸附不受溶液pH值的影響，所以在實際實驗過程中不用調(diào)節(jié)溶液的pH值。核桃殼生物炭吸附劑可重復(fù)再利用5次，去除率仍可達(dá)到93.17%;其他電解質(zhì)的存在對吸附有影響但影響不大，實際處理時可不用過多考慮。本實驗為農(nóng)業(yè)廢棄物的處理方式開辟了新途徑，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

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基金項目：

2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練校級計劃項目資助（項目編號：2020263;2020264）

作者簡介：

李丙陽（1999-），男，河北邢臺人。

通訊作者：

唐然肖（1979-），女，河北無極人。

（作者單位：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)）