木質纖維素對水溶液中亞甲基藍的吸附性能

龐方亮,趙亞紅,王 麗,王喜明

(內蒙古農業大學材料科學與藝術設計學院,內蒙古呼和浩特 010018)

木質纖維素對水溶液中亞甲基藍的吸附性能

龐方亮,趙亞紅,王 麗,王喜明

(內蒙古農業大學材料科學與藝術設計學院,內蒙古呼和浩特 010018)

以木質纖維素為吸附劑,分析吸附時間、初始濃度、pH值、溫度等因素對木質纖維素吸附亞甲基藍陽離子染料的影響。結果表明:木質纖維素對亞甲基藍吸附300min后達到平衡,初始濃度超過180mg/L后吸附量不再增加,pH值由2增加到8時,吸附量由23.0mg/g增加到40.1mg/g,溫度對吸附量呈現先增大后減小的趨勢。討論了Langmuir和Freundlich等溫線模式,相關系數表明吸附過程符合Langmuir等溫模式,用偽一級動力學和偽二級動力學對吸附數據進行擬合分析,結果表明吸附過程較好地符合偽二級動力學模型。

木質纖維素;吸附;亞甲基藍;等溫線;動力學模型

我國是紡織印染業第一大國,而紡織印染業又是工業廢水的排放大戶。在我國各工業行業中,紡織印染業廢水排放量為1.4億t/a,居全國工業廢水統計排放量的第5位[1]。染料廢水具有水質復雜、有機物含量高、可生化性差、色度高、含有大量表面活性劑、溫度高、堿性大等缺點,使得傳統的生化處理法難以除去染料廢水的色度。所以目前常用物理吸附和生化處理相結合的方法處理染料廢水,常用的吸附劑有活性炭、活性白土、天然沸石。天然高分子物質因其具有來源豐富、價格低廉、可再生等優點,近年來在吸附領域受到人們普遍關注[2-3]。

木質纖維素是除去木材中半纖維素和木質素后等到的一種單一的高分子物質。無毒、無味、無污染、無放射性,廣泛用于混凝土砂漿、石膏制品、木漿海綿、瀝青道路等領域。但目前關于木質纖維素對染料吸附方面的研究鮮有報道,為此,筆者以木質纖維素為吸附劑,研究各種吸附條件對木質纖維素吸附亞甲基藍陽離子染料的影響,并討論吸附等溫線和吸附動力學模型。

1 試驗部分

1.1 實驗材料

木質纖維素(SAM-100,北京華多生物科技有限公司);亞甲基藍試劑(天津市瑞金特化學品有限公司),分子式為C16H18ClN3S?3H2O。

1.2 實驗儀器

雙光束紫外可見分光光度計(TU-1901,北京普析通用儀器有限責任公司);水溫恒溫振蕩器(SHA-C,金壇市榮華儀器制造有限公司);分析天平(BS210S,北京賽多利斯天平有限公司);pH值測定儀(PB-10塞多利斯科學儀器有限責任公司);臺式高速冷凍離心機(H2050R,長沙湘儀離心機儀器有限公司)。

1.3 吸附實驗

準確稱取0.1000g吸附劑放入100mL的錐形瓶中,加入25mL已知濃度的亞甲基藍染料溶液,置于恒溫振蕩器(120r/min),在一定條件下達到吸附平衡后離心,用分光光度法測出上清液濃度,由式(1)計算吸附量[4-6]:

式中:q為吸附量,mg/g;ρ0為染料的起始質量濃度,mg/L;ρe為達到吸附平衡時染料的質量濃度,mg/L;v為染料溶液的體積,L;m為吸附劑的質量,g。

2 結果與討論

2.1 木質纖維素吸附亞甲基藍的電鏡圖

圖1、2為木質纖維素吸附亞甲基藍前后的電鏡圖(SEM)。由圖1可見吸附前木質纖維素表面清晰、光滑;吸附亞甲基藍后(圖2)可能是由于亞甲基藍與木質纖維素表面結合的緣故,纖維素表面起皺,說明吸附過程中木質纖維素的表面發生了變化。

圖1 木質纖維素的SEM

圖2 木質纖維素吸附亞甲基藍的SEM

2.2 吸附時間的影響

在染料溶液初始質量濃度為180mg/L、pH為6、溫度為30℃的條件下,吸附時間對木質纖維素吸附亞甲基藍的影響如圖3所示。由圖3可知,在0到50min時,吸附量快速增加,300min后吸附量基本達到平衡。這是因為吸附初期,亞甲基藍分子通過范德華力吸附在木質纖維素表面,隨著時間的延長表面吸附達到飽和。因此,吸附時間選擇300min進行吸附實驗。

圖3 吸附時間對吸附量的影響

2.3 初始濃度的影響

圖4 初始質量濃度對吸附量的影響

在染料溶液pH為6、溫度為30℃的條件下,初始質量濃度對木質纖維素吸附亞甲基藍的影響如圖4所示。由圖4可見,隨著染料溶液初始質量濃度的增加,木質纖維素對亞甲基藍的吸附量逐漸增加,當質量濃度超過180mg/L時,吸附量不再增加,說明吸附達到平衡。這主要是因為:低濃度時溶液中的亞甲基藍分子相對少,故吸附量低;而質量濃度超過180 mg/L后,木質纖維素表面的吸附位被占滿,不能再吸附更多的亞甲基藍分子,故吸附量不再增加。

2.4 pH值的影響

在染料溶液初始質量濃度為200mg/L、吸附溫度為30℃、吸附時間為300min的條件下,染料溶液pH值對木質纖維素吸附亞甲基藍吸附量的影響如圖5所示。由圖5可見:pH從2增加到8時,吸附量由22.3mg/g增加到30.4mg/g;pH為8到10時吸附量由30.4mg/g快速增加到44.8mg/g;pH為10以后吸附量基本保持不變。這可能是因為:正常情況下木質纖維素與染料分子結合通常以范德華力結合,酸性條件下溶液中的H+離子濃度較高,H+與亞甲基藍之間相互競爭吸附,但由于H+半徑小,使得其能快速占據活性吸附位并且與亞甲基藍分子存在著排斥作用,因此,酸性條件下木質纖維素對亞甲基藍的吸附量較小;pH從8增加到10時,由于染液中的H+濃度下降,木質纖維素表面為染料分子提供更多的吸附位,所以吸附量急劇增加;pH增大到10以后,由于吸附的染料之間存在“空間位阻效應”,木質纖維素表面不能再吸附更多的染料分子,所以吸附量基本(保持)不變。這種pH對吸附劑的影響機理與HAN等[7]研究的梧桐樹葉對亞甲基藍的吸附有相似的結論。

圖5 pH對吸附量的影響

2.5 吸附溫度的影響

在染料溶液初始質量濃度分別為 180、200、220mg/L,pH為6條件下,染液溫度對木質纖維素吸附亞甲基藍的影響如圖6所示。由圖6可見,吸附溫度對吸附量的影響呈現出先增加后減少的趨勢。當吸附溫度從30℃升高到40℃時,木質纖維素對亞甲基藍的吸附量略有增加,這可能是因為隨著溫度的升高,染料分子的擴散速率增大,染料分子和木質纖維素的碰撞機會增大,因此吸附量略有所增加。當吸附溫度從40℃升高到50℃時,吸附量減少,這可能是因為染料分子和纖維素之間以范德華力連接,相對鍵能較小,升高溫度加速了染料分子的移動速度使得染料分子重新回到溶液中,所以吸附量減少。

圖6 溫度對吸附量的影響

2.6 吸附等溫線方程

木質纖維素與染料分子的結合只發生在表面,不涉及孔的吸附因素,因此選用Langmuir吸附等溫式和Freundlich吸附等溫式對實驗數據進行分析[8]。

Langmuir吸附等溫式:

Freundlich吸附等溫式:

式中:qe為液相平衡時吸附量,mg/g;qm為理論最大吸附量,mg/g;kL為Langmuir常數;kF為Freundlich常數;n為常數。

一般用無量綱的RL來表述Langmuir模式吸附的物理意義。

式中:ρ0m為最大初始質量濃度,mg/L。

RL被用以描述吸附意義。當0＜RL＜1時為優惠吸附;RL＞1時不宜吸附。一般認為Freundlich常數1/n為0.1～0.5時,容易吸附;1/n大于2時,難以吸附。

表1 不同吸附溫度下木質纖維素吸附亞甲基藍的等溫線參數

質量濃度為 160、180、200、220、240mg/L,pH 為6,吸附時間為300min條件下,不同吸附溫度下木質纖維素吸附亞甲基藍吸附等溫線方程參數結果如表1所示。由Langmuir,Freundiich等溫式的相關系數R2可知Langmuir等溫式相關系數達到0.98以上,均優于Freundlich等溫式,說明木質纖維素對亞甲基藍的吸附等溫式符合Langmuir等溫式,是單層吸附;RL值在溫度為 30、40、50 ℃時分別為 0.10、0.02、0.10,均小于1,為優惠吸附。結果表明:木質纖維素可以作為一種吸附劑應用于處理印染廢水中的亞甲基藍染料。

表2 不同吸附溫度下木質纖維素吸附亞甲基藍的動力學參數

2.7 吸附動力學

將動力學模型研究用于計算反應速率的大小,在液相吸附中通常用下列模型計算[9-10]:

偽一級動力學模型公式為:

偽二級動力學模型公式為:

式中:qt為t時刻的吸附量,mg/g;k1為偽一級動力學常數,1/min;k2為偽二級動力學常數,g/(mg?min)。

在濃度為180mg/L,pH為6,溫度分別為30、40、50℃下吸附量隨著時間變化數據經擬合后如表2所示。由表2可知:偽二級動力學模型的相關系數R2均在0.99以上,說明木質纖維素對亞甲基藍的吸附行為符合偽二級動力學模型,且最優吸附速率常數K2等于 0.0039g/(mg?min)。

3 結 論

試驗表明吸附時間、染料的初始濃度和染料的pH值對木質纖維素吸附亞甲基藍有重要的影響。經測定吸附平衡時間為300min,吸附飽和質量濃度為180 mg/L,pH值在 10以上時有利于吸附,用Langmuir和Freundlich等溫式對實驗數據進行擬合,比較相關系數R2,結果表明:木質纖維素對亞甲基藍的吸附符合Langmuir等溫式,說明木質纖維素對亞甲基藍的吸附過程是單層吸附;動力學研究表明:吸附過程符合偽二級動力學模型且最優吸附速率常數為 0.0039g/(mg?min)。

[1]孟范平,易懷昌.各種吸附材料在印染廢水處理中的應用[J].材料導報,2009,23(7):69-71.

[2]代瑞華,劉會娟,曲久輝,等.醋酸纖維素吸附劑的制備及其性能表征[J].環境科學,2005,26(4):111-113.

[3]馬鳳國.羧甲基纖維素接枝共聚物的制備及對銅離子的吸附性能[J].高分子材料科學與工程,2008,24(6):46-49.

[4]游少鴻,佟小薇,朱義年.天然沸石對氨氮的吸附作用及其影響因素[J].水資源保護,2010,26(1):70-73.

[5]邱廷省,尹艷芬,蔡魯晟.含鋅重金屬廢水藻類吸附處理技術[J].水資源保護,2009,25(5):70-73.

[6]W ANG Li,WANG Ai-qin.Adsorption behaviors of Congo red on the N,O-carboxymethyl-chitosan/montmorillonite nanocomposite[J].Chemical Engineering Journal,2008,143:43-50.

[7]HAN Run-ping,ZOU Wei-hua,YU Wei-hong,et al.Biosorption of methylene blue from aqueous solution by fallen phoenix tree's leaves[J].Journal of Hazardous Materials,2007,141:156-162.

[8]HAMEED B H,AHMAD A.Batch adsorption of methylene blue from aqueous solution by garlic peel,an agricultural waste biomass[J].Journal of Hazardous Materials,2009,164:870-875.

[9]KHALED A,AHMED,NEMR E,et al.Treatment of artificial textile dye effluent containing direct yellow 12 by orange peel carbon[J].Desalination,2009,238:210-232.

[10]DEMIR H,TOP A,BALKOSE D.Dye adsorption behavior of luffa cylindrica fibers[J].Journal of Hazardous Materials,2008,153:389-394.

Properties of adsorbing methylene blue of lignocellulose in aqueous solution

PANG Fang-liang,ZHAO Ya-hong,WANG Li,WANG Xi-ming
(College of Material Science and Art Desige,Inner mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

Using lignocellulose as an adsorbent,the effects of parameters such as adsorption time,initial concentration,pH value and temperature on the removal of methylene blue dye ion from aqueous solutionswere investigated.The results showed that adsorption equilibrium of lignocellulose for methylene blue reached after 300 minutes.The adsorption capacity of lignocellulose reached steady state when the initial concentration exceeded 180 mg/L.The adsorption capacity increased from 23 mg/g to 40.1 mg/g when the solution pH value increased from 2 to 8.The adsorption capacity increased first and then decreasedwith increasing temperature.The Langmuir and Freundlich adsorption isotherm models were discussed.The correlation coefficient indicated that the adsorption process of lignocellulose accordedwith Langmuir adsorption isotherm model.The pseudo-first-order and the pseudo-second-order kinetic models were used to describe the adsorption data.The results showed that the adsorption process of lignocellulose met well with the pseudo-second-order kinetic model.

lignocellulose;adsorption;methylene blue;isotherms;kinetics model

X788

A

1004-6933(2011)03-0061-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.015

國家自然科學基金(20867004)

龐方亮(1983—),男,山西臨汾人,碩士研究生,研究方向為纖維素基納米復合材料合成及吸附性能。E-mail:pangliang-000@163.com

王麗,副教授。E-mail:wl2083663@126.com

(收稿日期:2010-10-25 編輯:徐 娟)