芝麻秸稈活性炭對亞甲基藍染料的吸附性能研究

張 建，周威遠，王婭婭

(伊犁師范大學 化學與環(huán)境科學學院，新疆 伊寧 835000)

0 前言

隨著我國染料和印染工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)染料廢水的危害日益凸顯，其中亞甲基藍常用于工業(yè)染料的加工，具有污染性強、對人體危害性大、成分復雜、有機物濃度和色度高、難生化降解等特點，如果將難以降解的亞甲基藍有機物污染物排入水體，就會造成嚴重的水體污染，因此采取最有效、最合理的方法處理水污染問題成為首要的問題[1]。常見處理有機染料的方法有：吸附法、膜分離技術、磁分離法、萃取法、電化學法、高級氧化法等，當前工業(yè)上處理印染廢水常用的方法是使用活性炭或多孔樹脂來作為吸附劑[2-8]。

隨著人們生態(tài)意識的提高和國家大力推廣清潔能源，生物質秸稈這類清潔可再生能源的開發(fā)研究也隨之成為熱點研究話題。芝麻桿中含有豐富的植物纖維素，可以用制備作生物質碳的原料[9]。將芝麻秸稈經(jīng)炭化和活化后制備成活性炭，不僅可以變廢為寶，實現(xiàn)資源再利用，還能緩解目前活性炭在國內(nèi)外供不應求的局面。

1 實驗方法

1.1 原料、試劑和實驗設備

將芝麻秸稈洗凈、干燥(80 ℃烘干4 h)、粉碎，過150 μm篩后備用。

本實驗中所使用的主要試劑有：無水乙醇、氫氧化鉀、亞甲基藍、鹽酸等。本實驗所使用試劑均為分析純。本實驗中采用到的實驗儀器：粉碎機，250A；電熱鼓風干燥箱，KQ-700DE；分析天平，F(xiàn)A2104N；紫外分光光度計，7230G；管式爐，KJ-T1200-S603LKD等。

1.2 芝麻秸稈基活性炭制備方法

稱取篩好的芝麻秸稈20 g(精確至0.001 g)至剛玉磁舟中，放入管式爐并通入氮氣作為保護氣進行炭化，500 ℃保溫1 h，控制升溫速率為5 ℃/min。將炭化好的炭粉放入燒杯中，加入濃度1 mol/L的鹽酸50 mL，超聲酸浸0.5 h；用蒸餾水洗滌炭粉至中性。取洗滌好的炭粉2 g至4個燒杯中，分別加入0.5、1.0、1.5、2.0 g KOH固體，加入5 mL無水乙醇與一定量的水，沒過樣品，攪拌溶解后浸漬12 h；烘干后取出樣品，氮氣氣氛高溫700 ℃煅燒，保溫1 h；加入一定量1 mol/L鹽酸至沒過炭粉，超聲水洗0.5 h后用蒸餾水洗至中性；將洗滌好的樣品放入烘箱中干燥(80 ℃烘干10 h)，取出冷卻后即得不同堿炭比的芝麻秸稈活性炭，分別命名為AC0.5、AC1、AC2、AC4。

圖1 活性炭制備流程圖

1.3 吸附性能研究

1.3.1亞甲基藍溶液標準曲線繪制

稱取0.125 g亞甲基藍粉末，在100 mL燒杯中加入少量去離子水，充分攪拌至燒杯中粉末完全溶解，以玻璃棒引流至125 mL容量瓶中，洗滌燒杯2～3次后用蒸餾水定容，得到濃度為1 g/L的亞甲基藍溶液。使用上述配制的亞甲基藍溶液稀釋成1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 mg/L的稀溶液，利用紫外可見分光光度計在波長為665 nm處測定其吸光度，并繪制亞甲基藍吸光度與濃度關系的標準曲線。結果如圖2所示。

圖2 亞甲基藍標準曲線

1.3.2吸附動力學實驗

在吸附實驗研究中，準一級動力學模型方程(式 1)和準二級動力學模型方程(式2)線性表達式分別為：

ln(qe-qt)=lnqc-K1t

體育教學是為了培養(yǎng)學生強健的體魄和健身的意識，高等教育階段的體育教學重在后者，因此高校體育教學要以學生為本，要以促進學生的全面發(fā)展為目標，在高校的教育評價中必須重視學生評價，從體育教學對學生的有效性角度進行體育教學的評判。同時，在高校體育教學中強化學生評價也是為了讓體育教師更加重視學生的體育學習需求，使體育教學與實際需求密切聯(lián)系，也是提高有效性的重要方式。當前階段，高校體育教學中學生評教的地位還不突出，在具體的實行過程中也還有不完善之處。

(1)

(2)

其中：t，接觸反應時間，min；K1，準一級吸附動力學吸附率常數(shù)，min-1；K2，準二級動力學吸附率常數(shù)，g/(mg·min)；qt，t時刻的吸附量，mg/g；qe，吸附平衡時的吸附量，mg/g[10]。

1.3.3吸附劑堿炭比對吸附性能的影響

活化溫度700 ℃，時間為60 min的條件下，探究堿炭比為0.5∶1、1∶1、2∶1、4∶1制備活性炭對亞甲基藍的吸附影響。在室溫下，分別向裝有50 mL濃度為20 mg/L亞甲基藍溶液的錐形瓶中依次加入10 mg AC0.5、AC1、AC2、AC4活性炭。吸附劑堿炭比對吸附性能的影響，結果見圖3。

圖3 堿炭比對活性炭樣品吸附的影響

由圖3可知，隨著堿炭比逐漸增加，活性炭對亞甲基藍的吸附能力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當堿炭比為2∶1時，去除率達到最大且吸附效率最高，吸附量也最大。這是由于當活化劑KOH用量增大時，其對炭粉的腐蝕會更加嚴重，使炭微晶暴露出來，有更多的鉀離子與碳反應生成碳酸鉀鹽，增加孔洞數(shù)量[11]。當堿炭比達到4∶1時，吸附平衡時的去除率開始降低，推測此情況下KOH比例過大，破壞活性炭表面官能團，也可能為部分鉀離子被碳還原成鉀單質堵塞孔洞。

1.3.4亞甲基藍溶液初始濃度對吸附性能的影響

取5個錐形瓶，分別倒入濃度為10、20、30、40、50 mg/L的亞甲基藍溶液100 mL，向不同濃度的亞甲基藍溶液中加入10 mg堿炭比為2∶1的芝麻秸稈活性炭AC2，再將溶液放入恒溫搖床中震蕩12 h。亞甲基藍初始濃度對芝麻秸稈活性炭吸附性能影響如圖4所示。

圖4 初始濃度對甲基藍吸附的影響

由圖4可知，當亞甲基藍初始濃度增大時，吸附平衡時的吸附量增大，去除率也隨之增大，當亞甲基藍初始濃度超過40 mg/L時去除率開始下降，吸附量也逐漸降低。這是由于活性炭吸附位點有限，當濃度增大時活性炭上的吸附位點逐漸被亞甲基藍所占據(jù)，吸附速率開始減小[12]。

在室溫下，配制40 mg/L的亞甲基藍溶液，向其中加入10 mg堿炭比為2∶1的芝麻秸稈活性炭AC2，再將溶液放入恒溫搖床中振蕩。最短吸附時間為5 min，最長吸附時間為180 min。吸附時間對吸附效果的影響如圖5所示。

由圖5可知，在吸附達到平衡前，吸附速率急劇增加；當吸附時間為90 min時，吸附趨于平衡，此時吸附量為最大值并達到平衡，確定最佳吸附時間為90 min。

圖5 吸附時間對亞基甲基藍吸附的影響

1.3.6吸附劑投加量對吸附效果的影響

在室溫下，準備5個盛有濃度為40 mg/L的亞甲基藍溶液100 mL，向其中分別加入質量為10、20、30、40、50 mg堿炭比為2∶1的活性炭AC2，對應濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/L，吸附時間為90 min。芝麻秸稈活性炭投加量對亞甲基藍的吸附影響如圖6所示。

圖6 活性炭投加量對去亞甲基藍吸附的影響

由圖6可知，隨著投加量的增加，AC2對亞甲基藍的去除率而增大，吸附量隨之減小。這是由于投加量足夠大時，溶液中的亞甲基藍濃度相對非常低，大量的活性炭AC2與染料沒有發(fā)生吸附作用，投加量己經(jīng)超出最佳投加量。綜合考慮，確定投加量為20 mg[13]。

1.3.7等溫吸附方程的確定

對投加量為20 mg堿炭比為2∶1的芝麻秸稈活性炭AC2吸附初始濃度為40 mg/L亞甲基藍的吸附速率曲線進行擬合，擬合后得到結果見圖7和表1。對于芝麻秸稈吸附亞甲基藍溶液的過程中，準二級動力學擬合結果為0.999 9。這表明該吸附過程更符合擬二級動力學方程，此過程以化學吸附為主[14]。

圖7 活性炭吸附亞甲基藍準一級動力學和準二級動力學模擬擬合曲線

表1 活性炭AC2對亞甲基藍的準一級動力學和準二級動力學相關系數(shù)

2 結論

以芝麻秸稈為碳源，KOH做活化劑，在低堿碳比下，制備了性能優(yōu)異的活性炭，在靜態(tài)吸附實驗中研究投初始濃度、吸附時間、投加量等因素對亞甲基藍染料的吸附，得出芝麻秸稈活性炭的最佳吸附條件活性炭堿炭比為2∶1，初始濃度為40 mg/L，吸附時間為90 min，投加量在20 mg。在此過程中，其中吸附量最大為 268 mg/g，去除率達到最大值98.49%。通過對動力學研究，得出該吸附過程更符合擬二級吸附動力學方程。