ZnCl2活化水蔥制備的生物炭對MB的吸附特性

龔光容 陳貞羽 黃飛 陳歡 吳漢福

摘????要：以水蔥為原料，氯化鋅為活化劑制備了生物炭，研究了制備的水蔥生物炭對水中MB的吸附性能.?吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線結(jié)果表明：Freundlich等溫吸附模型和偽一級動(dòng)力學(xué)模型更適合描述吸附動(dòng)力學(xué)過程，水蔥生物炭對MB的吸附主要是物理吸附，并且具有易吸附特性，偽一級動(dòng)力學(xué)模型理論吸附量達(dá)47.75mg/g。

關(guān)鍵詞：水蔥生物炭;MB;吸附

染料在紡織、食品、紙張、化妝品等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1，]。亞甲基藍(lán)（MB）是染料中的一種有機(jī)染料，常用于印染行業(yè)，如在棉、腈綸等材料進(jìn)行染色，它具有劇毒性和致癌性，會(huì)對人體健康和生存環(huán)境造成危害。研究表明，人長期暴露于高濃度的亞甲基藍(lán)的環(huán)境中會(huì)引起貧血癥、高鐵血紅蛋白血癥、高血壓和癌癥等疾病[2]。因此，對含有染料的廢水進(jìn)行處理十分必要。

生物質(zhì)炭作為一種低成本富碳生物質(zhì)，是在缺氧或無氧環(huán)境中通過熱化學(xué)分解的副產(chǎn)品。生物炭原材料來源廣、價(jià)格低廉，同時(shí)具有較高的比表面積和多孔徑的結(jié)構(gòu)等特性，被廣泛用于廢水處理[3，4]。為了進(jìn)一步提高生物炭吸附性能，可以通過改性。目前，生物炭改性主要包括物理、化學(xué)活化等方式來改善其多孔結(jié)構(gòu)和比表面積、孔隙率等來提高生物炭的吸附能力。在化學(xué)活化過程中，氫氧化鉀，氨氣，碳酸鉀，磷酸，硫酸，氯化鋅等是常用的化學(xué)活化劑[5-7]。本文以水蔥為原料，氯化鋅為活化劑制備生物質(zhì)炭材料，并考察其對水體中亞甲基藍(lán)（MB）的吸附特性，以期為水蔥生物質(zhì)炭在染料廢水處理中提供一定的參考依據(jù)。

1?實(shí)驗(yàn)

1?.1?儀器與試劑

KQ-600DE數(shù)控超聲波清洗器，GB/T23111電子天平，Sx-4-10馬弗爐，101電熱鼓風(fēng)干燥箱，TC19K高速離心機(jī)，HG24-HZS-H振蕩儀，U1901紫外分光光度計(jì)。

氯化鋅、亞甲基藍(lán)（MB）等均為分析純。

1.2??改性生物炭的制備

水蔥用自來水先洗凈，再用去離子水清洗3～4次，于80?℃烘干，粉碎，過40目篩保存?zhèn)溆?。稱取一定量水蔥粉末加入有4?mol?/L的?ZnCl2溶液的燒杯中（固液比為1：4），浸漬24h，過濾，在105℃鼓風(fēng)干燥箱干燥8h，然后放入馬弗爐中，在氮?dú)鈿夥障?，溫度?00℃炭化2h，炭化結(jié)束自然冷卻至室溫取出，超純水清洗3次，105?℃烘干，研磨，過100目篩，得水蔥生物炭。

1.3?生物炭的吸附實(shí)驗(yàn)

MB是一種表面帶正電荷的陽離子染料，生物質(zhì)炭表面通常呈負(fù)電荷，而業(yè)廢水的pH范圍一般在6～9，從生物炭在工業(yè)廢水實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，本吸附實(shí)驗(yàn)中未調(diào)溶液的pH。

1.3.1?吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

取質(zhì)量濃度分別為10?mg/L、20?mg/L、30?mg/L的100?mLMB溶液置于3個(gè)250?mL錐形瓶中，分別加入0.5g?的水蔥生物炭，錐形瓶置于振蕩儀中，調(diào)節(jié)溫度25℃，轉(zhuǎn)速為150?r/min進(jìn)行吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，每隔一段時(shí)間取2-3mL溶液測定不同時(shí)間對應(yīng)的溶液濃度ρt，MB溶液的濃度由分光光度計(jì)測得。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型擬合。

式中：qt和qe分別為水蔥生物炭對MB的t時(shí)刻的吸附量和平衡吸附量（mg/g）;ρ0和ρe分別為初始和吸附平衡時(shí)MB的濃度（mg/L）;V為溶液體積（L）;m為水蔥生物炭質(zhì)量（g）;qt為t時(shí)吸附在水蔥生物炭上MB的量（mg/g）;k1和k2分別為準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級階的速率常數(shù)（1/min）（g/（mg·min）。

1.3.2等溫吸附實(shí)驗(yàn)

取7份0.1?g水蔥生物炭，分別加入100?mL?初始質(zhì)量濃度不同的MB溶液（MB質(zhì)量濃度分別為20、40、60、80、100、120?、150mg/L）錐形瓶中，將其置于恒溫振蕩器中，在25℃下以轉(zhuǎn)速為150?r/min恒溫振蕩7.5h，結(jié)束后，經(jīng)0.45μm?濾膜過濾后，采用分光光度法測定MB濃度。采用Langmuir?和Freundlich?等溫線模型分析。

式中：KL（L/mg）和KF?[mg/g（L/mg）1/n]分別是Langmuir和Freundlich吸附平衡常數(shù);qe（mg/g）是吸附平衡狀態(tài)下的吸附容量;?qm（mg/g）是平衡時(shí)最大吸附容量;RL為Langmuir模型中的分離常數(shù)。

2結(jié)果與討論

2.1??吸附動(dòng)力學(xué)

不同初始濃度MB下的水蔥生物炭對MB的吸附動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果如圖1?和表1所示。通常認(rèn)為偽一級吸附動(dòng)力學(xué)模型是物理吸附，偽二級模型是單分子層吸附。

由圖1可知，在吸附初期，水蔥生物炭對不同濃度MB的吸附量均隨時(shí)間的增加而增加，在450min左右基本達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。這可能是在吸附初始期，吸附點(diǎn)位較多，吸附速率較快，當(dāng)隨吸附時(shí)間延長，吸附點(diǎn)位減少，從而吸附速率減慢最終達(dá)到吸附平衡。

由表1可知，偽一級動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)R2均為大于0.99，而偽一級相關(guān)系數(shù)R2在0.9773～0.9876之間。偽一級動(dòng)力學(xué)模型理論平衡吸附量qe值與實(shí)驗(yàn)值非常接近，MB濃度為60mg/L時(shí)，理論吸附量為達(dá)47.75mg/g。這說明偽一級動(dòng)力學(xué)模型更能適合描述水蔥生物炭對MB的吸附過程，吸附過程受物理吸附控制。

2.2等溫吸附線

水蔥生物炭對MB的等溫吸附平衡擬合結(jié)果如圖2?和表2。通常認(rèn)為Langmuir模型所有的位點(diǎn)對被吸附物質(zhì)有著相同的親和力，吸附是單分子層吸附;Freundlich模型吸附發(fā)生在不均勻的表面，吸附機(jī)理為多層吸附;Langmuir模型的平衡參數(shù)值RL可以用于描述可逆性和易吸附性。當(dāng)0<RL<1時(shí)，說明吸附過程容易進(jìn)行;當(dāng)RL>1，說明吸附不易進(jìn)行;當(dāng)RL=1，吸附為可逆吸附;RL=0，說明吸附不可行[8];對于Freundlich的校準(zhǔn)參數(shù)n，若1<n<10，認(rèn)為是一個(gè)有利于吸附過程[9]。

從圖和表可知，F(xiàn)reundlich和Langmuir模型擬合相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9857和0.8939，說明Freundlich?吸附模型更適合描述吸附過程，吸附為多分子層吸附，n的值為5.93，說明在研究條件下，水蔥生物炭對MB具有易吸附特性。

MB的初始濃度在20mg/L～150?mg/L時(shí)，RL數(shù)值在0.003～0.019范圍，說明水蔥生物炭對MB的吸附容易進(jìn)行，這與Freundlich等溫模型結(jié)論一致，Langmuir模型最大理論吸附量可達(dá)25.38?mg 。

3結(jié)論

以水蔥為原料，氯化鋅為活化劑，在氮?dú)鈿夥障拢?00?℃溫度下煅燒2?h?，制備了水蔥生物炭。吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線結(jié)果表明，偽一級動(dòng)力學(xué)模型和Freundlich等溫吸附模型更適合描述吸附動(dòng)力學(xué)過程，水蔥生物炭對MB的吸附主要是物理吸附，并且具有易吸附特性，偽一級動(dòng)力學(xué)模型理論吸附量達(dá)47.75mg/g。

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基金項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目《水蔥基活性炭的制備及其吸附性能》（201810977002）

作者簡介：龔光容（1977—??），女，土家族，?湖北建始人，學(xué)生。

*通訊作者：吳漢福（1972—??），男，土家族，貴州沿河人，碩士，教授，主要從事環(huán)境功能材料和環(huán)境治理研究。