KOH活化多孔炭對甲基橙的吸附及其動力學(xué)研究

摘 " " "要： 探究堿性改性的生物質(zhì)炭對印染工業(yè)污水中甲基橙的吸附性能。結(jié)果表明：改性竹筍生物質(zhì)炭具有大的比表積和豐富的孔結(jié)構(gòu)，其對15 mL 30 mg·L-1的甲基橙在 210 min后達(dá)到平衡，最佳投加量和最大吸附量分別為7 mg·L-1和64.1 mg·g-1，吸附動力學(xué)更加符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型。

關(guān) "鍵 "詞：竹筍多孔炭；動力學(xué)研究；甲基橙；KOH活化；吸附

中圖分類號：TQ424 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " "文章編號： 1004-0935（2023）03-0338-04

隨著染料需求量的不斷增加，印染行業(yè)不斷地飛速前進(jìn)，工業(yè)染料產(chǎn)量越來越多，隨之而來的印染工業(yè)廢水問題也就越來越嚴(yán)重[1]。印染廢水的色澤深、有機(jī)污染物含量高、污染物種類多且復(fù)雜、生物毒性大、難生物降解等特點導(dǎo)致現(xiàn)在環(huán)保領(lǐng)域的研究趨勢主要為處理印染廢水，其中甲基橙（MO）是一種難降解的偶氮類-陰離子型染料，具有致突變和致癌性，會污染水資源，從而危害水生生物和人體健康[2]。

至今，對于染料廢水的處理有多種技術(shù)，其中起關(guān)鍵作用的方法可粗分為物理法、化學(xué)法、生物法[3]，例如芬頓試劑強(qiáng)氧化、脫色絮凝法、活性炭法、生化法等 [4-5]。與上述方法相比，物理吸附處理成本低、效率高、穩(wěn)定性好、操作簡便，比較適用于低濃度廢水的深度處理。 其成本低、效率高等優(yōu)勢使得它更適用于小型廢水廠的廢水處理利用。使用恰當(dāng)?shù)奈锢砦絼┦俏锢砦椒ǖ闹匾蛩?，常用的物理吸附劑有活性炭、樹脂和沸石等。雖然其具有成本效益高、吸附能力強(qiáng)以及環(huán)境友好性等優(yōu)勢，但是不能去除膠體疏水性染料，并且其二期再生費用高， 不適合可持續(xù)發(fā)展需要。綜上所訴，探求一種高效且廉價的吸附劑成為了當(dāng)代研究者的研究重點[6-7]。

生物質(zhì)炭因其具有成本低、比表面積大等特性，作為吸附劑在印染工業(yè)污水處理中備受關(guān)注[8-9]。竹筍是一種很常見的生物質(zhì)炭原材料，其分布廣泛、生長速度快、易取材。因此，本研究將利用竹筍作為原料制備改性的竹筍生物質(zhì)炭材料，并研究了其對甲基橙的吸附性能。

1 "實驗部分

1.1 "生物質(zhì)炭的制備

將竹筍去皮，蒸餾水沖洗后，置80 ℃的恒溫干燥箱中烘干。再將樣品放入管式爐中，在氬氣保護(hù)下以2 ℃·min-1的升溫速率下升高至400 ℃，并保溫2 h，待炭化后冷卻至室溫于石英碾缽研磨粉碎，將制備所得生物質(zhì)炭材料命名為 BS。

1.2 "生物質(zhì)炭的改性處理

分別取BS、KOH質(zhì)量比為1∶2的固體混合均勻，放在管式爐中，氬氣保護(hù)下以2 ℃·min-1的升溫速度上升至700 ℃，并保溫2 h進(jìn)行活化?；罨甑臉悠芳尤臌}酸溶液至浸沒，室溫下磁力攪拌 " 2 h。再離心5次，置于60 ℃的恒溫干燥箱中烘干，得到改性生物質(zhì)炭，記作BS-2。

1.3 "等溫吸附試驗

初始甲基橙模擬污水質(zhì)量濃度分別為 10、20、30、40、50 mg·L-1，將試驗溶液置攪拌器上攪拌 " 20 min后離心8 min取上層清液，測定甲基橙質(zhì)量濃度。所有試驗均設(shè) 3 次平行。

1.4 "吸附動力學(xué)試驗

稱取19份改性生物質(zhì)炭樣品于分別加入到 "15 mL的30 mg·L-1甲基橙溶液中，置于磁力攪拌器上攪拌，分別攪拌5 、10、15、20、25、40、60、90、120、160、190、210、240、270、300、330、360、390、420 min，之后分別離心8 min，轉(zhuǎn)速為8 000 r·min-1，取上清液測甲基橙質(zhì)量濃度。所有試驗均設(shè) 3 次平行。

2 "結(jié)果與討論

2.1 "生物質(zhì)炭的結(jié)構(gòu)表征

圖 1（a）為改性生物質(zhì)炭（BS-2）放大 1 000倍的掃描電鏡圖。由圖1（a）可見，改性生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)疏松，孔徑較大，孔壁較薄，有少量層狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)且表面光滑，結(jié)構(gòu)排列不規(guī)則。圖1（b）為BS-2放大2 200倍的掃描電鏡圖，可以清晰地看出BS-2的大孔徑和不規(guī)則的孔形狀及結(jié)構(gòu)。KOH的活化作用使其孔數(shù)多、孔徑大，且高溫下KOH腐蝕炭表面，使其表層形成了大量的孔結(jié)構(gòu)。

2.2 "溶液初始質(zhì)量濃度的影響

圖2（a）為7 mg改性生物質(zhì)炭（BS-2）在25 ℃條件下對15 mL不同初始質(zhì)量濃度甲基橙模擬印染污水的吸附效果。由圖2（a）可以看出，伴隨著溶液初始質(zhì)量濃度的增大，改性生物質(zhì)炭對甲基橙的吸附量也在成比例增大。當(dāng)溶液中甲基橙質(zhì)量濃度為50 mg·L-1 時去除量上升至97.3 mg·g-1。然而，隨著溶液初始質(zhì)量濃度愈來愈高，改性生物質(zhì)炭對甲基橙的去除率成比例下降，當(dāng)溶液中甲基橙質(zhì)量濃度為50 mg·L-1時去除率降至90.8%。主要是因為隨著甲基橙質(zhì)量濃度的增加，吸附的中間產(chǎn)物增多，與甲基橙分子競爭生物質(zhì)炭的活性吸附位點，從而去除率下降。Langmuir吸附等溫線模型如圖2（b）所示，F(xiàn)reundlich吸附等溫線模型如圖2（c）所示，生物質(zhì)炭吸附甲基橙的等溫線參數(shù)如表1所示。由表1和圖2（b）、圖2（c）可以看出，用Langmuir模型擬合改性生物質(zhì)炭對甲基橙的吸附用效果更準(zhǔn)確，擬合度更高[10]。

2.3 "吸附時間的影響

圖3（a）為7 mg改性生物質(zhì)炭（BS-2）對 15 mL的30 mg·L-1甲基橙模擬污水吸附量和去除率隨時間的變化關(guān)系。由圖3（a）可得，改性生物質(zhì)炭對甲基橙的吸附量和去除率均隨著時間的增加而增大。當(dāng)吸附反應(yīng)時間在60 min之后，甲基橙的吸附量和去除率的增長速率逐漸趨于平緩；吸附時間為

210 min時，吸附基本達(dá)到平衡，改性生物質(zhì)炭對甲基橙吸附量為64.1 mg·g-1，去除率達(dá)到99.7%。但隨著吸附過程的持續(xù)加深，傳質(zhì)動力逐步減小。隨著時間的推移，生物質(zhì)炭表面的吸附反應(yīng)趨于平衡時，甲基橙開始慢慢地滲透到生物質(zhì)炭內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)中，與其表面的吸附位點接觸時間變長，所以該過程相對60 min前比較緩慢。為了將吸附動力學(xué)過程更好地反映出來，用準(zhǔn)一級動力學(xué)模型、準(zhǔn)二級動力學(xué)模型來擬合改性竹筍生物質(zhì)炭對甲基橙的吸附動力學(xué)過程。擬合結(jié)果見圖3（b）、圖3（c）和表2。

由表2可知，準(zhǔn)一級動力學(xué)模型得出的R2為0.677 97，準(zhǔn)二級動力學(xué)模型得出的R2大于 0.98，說明準(zhǔn)二級動力學(xué)模型與生物質(zhì)炭對甲基橙的吸附過程更加吻合。

2.4 "投加量的影響

圖4為改性生物質(zhì)炭不同投加量對15 mL的 30 mg·L-1甲基橙吸附效果的影響。

由圖4可知，隨著投加量的增大，改性生物質(zhì)炭對甲基橙的吸附量由40.3 mg·g-1上升至 " " " 63.7 mg·g-1，去除率由62.7%升至99.1%。投加量在1～7 mg·L-1之間時，生物質(zhì)炭的吸附率大幅度增長，這是因為隨著吸附劑的投加量增大，用于吸附甲基橙的吸附面積和吸附活性位點也隨之增加，使得吸附總量增大。當(dāng)吸附劑的投加量大于7 mg·L-1時，改性生物質(zhì)炭的吸附率趨于平緩且最終達(dá)到平衡，但此時單位吸附量隨著改性生物質(zhì)炭用量的增多而減小，因為大量的活性位點在同時競爭有限的甲基橙分子，導(dǎo)致改性生物質(zhì)炭的部分吸附位點處于未飽和狀態(tài)。因此，生物質(zhì)炭的投加量因以 " " "7 mg·L-1為宜。

3 "結(jié) 論

1）在25 ℃，改性竹筍衍生的生物質(zhì)炭吸附 " 15 mL的30 mg·L-1甲基橙在 210 min后達(dá)到平衡，并且最大吸附量為64.1 mg·g-1。 改性竹筍衍生的生物質(zhì)炭對甲基橙的吸附遵循Langmuir方程和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型。

2）通過模擬印染污水的吸附試驗，表明改性竹筍衍生的生物質(zhì)炭可用于處理印染的污水，對于解決印染工業(yè)污水處理具有一定的借鑒意義。

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Adsorption of Methyl Orange on KOH Activated

Porous Carbon and Its Kinetics

ZHOU Li-ping1， LIU Jin-hang 1*， JIAN Jia-qin1， YU Lang-hua1， KE Jiang-nan1，

CHEN Xiu-dong 2*， CAO Xiao-hua1， "ZHAN Chang-chao2

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering， Jiujiang University， Jiujiang Jiangxi 332005， China;

2. Jiangxi Province Engineering Research Center of Ecological Chemical Industry， Jiujiang 332005， China）

Abstract： "The adsorption performance of alkaline modified biomass carbon for methyl orange in printing and dyeing industrial wastewater was explored. The results showed that the modified bamboo shoot biochar had large specific surface area and rich pore structure. It reached equilibrium after 210 min for 15 mL of 30 mg·L-1 methyl orange， and "the optimal dosage and maximum adsorption capacity were 7 mg·L-1 and 64.1 mg·g-1 respectively. The adsorption kinetics was more in line with the quasi second-order kinetic model.

Key words： "Bamboo shoot porous carbon; Kinetic study; Methyl orange; KOH activation; Adsorption