改性累托石吸附處理亞甲基藍機理研究

陳 云，王營茹，孫家壽，羅 劼，段穎姍，陳佩佩

(武漢工程大學環境與城市建設學院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

根據文獻[1]的研究結果，本文主要探討改性累托石吸附處理染料模擬廢水的機理.研究改性累托石的吸附飽和過程及反應動力學是為了確定各項因素對吸附反應速度的影響，以便控制適當的環境條件，使吸附反應能夠在比較理想的速度下進行.吸附飽和過程及反應動力學的研究有助于更好地了解反應機理、選擇合適的工藝參數，因此，根據改性累托石處理染料模擬廢水的試驗結果，研究其吸附過程及反應動力學就顯得非常重要.

1 試 驗

1.1 試驗材料及儀器

累托石：產自湖北鐘祥.

亞甲基藍：配制成2.0 g/L的亞甲基藍母液，根據試驗需要稀釋到不同濃度.

試驗用主要儀器有：722型可見分光光度計(天津市普瑞斯儀器有限公司)；TGL-16G型臺式離心機(上海市安亭科學儀器廠)；水浴恒溫振蕩器(上海躍進醫療器械廠)；pHS-3C型酸度計(上海精密儀器科學儀器有限公司生產)；SX2-4-10馬弗爐(天津市中環實驗電爐有限公司)；DHG-9075A電熱鼓風干燥箱(上海齊新科學儀器有限公司)等.

1.2 試驗方法

a.累托石改性：累托石經破磨后過0.074 mm(200目)篩，經80 ℃干燥后，擬定焙燒改性，即在馬弗爐中于400 ℃下焙燒2 h，冷卻后備用.

b.吸附處理試驗：稱量一定質量的改性累托石加入盛有一定濃度的亞甲基藍模擬廢水的燒瓶中，密閉恒溫振蕩一定時間，取少量體積的懸浮液進行高速離心，取清液測試亞甲基藍濃度.

2 吸附等溫線

吸附是一個由迅速擴散和緩慢擴散兩個階段構成地雙速率過程.對于累托石吸附劑吸附而言，經大量試驗研究確定，選擇吸附平衡時間為5 h.由改性累托石和亞甲基藍染料模擬廢水構成的固液兩相系統，當吸附達到平衡時，模擬廢水的濃度為液相平衡濃度Ce，吸附劑的吸附量qe為固相濃度，與Ce相對應，代表吸附劑在平衡濃度為Ce時的吸附能力.溫度不變，改變初始亞甲基藍染料模擬廢水的濃度，進行靜態吸附試驗，可測得一組Ce和qe數據，所繪曲線即吸附等溫線(見圖1).圖1溫度為20 ℃，轉速為200 r/min，改性累托石用量為1.0 g/L，吸附時間為5 h所得到的吸附等溫線.

圖1 吸附等溫線

按照Giles等[2]對吸附等溫線的分類，圖中吸附等溫線趨勢屬典型的“L2”型Langmuir曲線，是一種吸附劑表面微孔孔徑略大于吸附質分子尺寸的單層分子吸附(Brunauer分類的類型Ⅰ)[3].可運用Freundlich和langmuir[4-5]方程對吸附過程擬合.

Freundlich等溫吸附方程為：

(1)

式(1)中qe為吸附平衡時的吸附量(mg/g)；k為吸附平衡常數；n為經驗常數；Ce為亞甲基藍吸附平衡時的濃度(mg/L).

對式(1)兩邊取對數經線性轉化可得出Freundlich的線性方程為：

(2)

用Freundlich線性方程(2)對吸附等溫線進行擬合，得lgqe—lgCe的關系曲線(圖2，R2=0.971).Freundlich吸附等溫式為lgqe=1.696+0.057lgCe.

圖2 Freundlich擬合等溫線

Langmuir等溫吸附方程為：

(3)

式(3)中qe為吸附平衡時的吸附量(mg/g)；q0為吸附劑的吸附量qe的極限，即亞甲基藍吸附容量(A/g)；b為常數(L/A)；A表示吸光度(A=abc，其中a為吸光系數，單位為L/g·cm，b為液層厚度—通常為比色皿的厚度，單位為cm，c為溶液質量濃度，單位為g/L).為簡化表達，文中以1A表達1個單位的亞甲基藍溶液量.

對式(3)兩邊取倒數，得到Langmuir方程經轉換可得線性方程：

(4)

用Langmuir線性方程(4)對吸附等溫線進行擬合，得Ce/qe—Ce的關系曲線(圖3，R2=0.999).Langmuir吸附等溫式為Ce/qe=0.021+0.016Ce.

圖3 Langmuir擬合等溫線

由圖2和圖3可看出，改性累托石對亞甲基藍的吸附符合Langmuir吸附等溫式和Freundlich吸附等溫式，線性相關性均較好.從而驗證了前面所說的本吸附過程屬單分子層吸附.

3 模擬廢水的反應動力學

為找出符合累托石吸附亞甲藍過程動力學規律，分別用lagergren準一級、準二級吸附速率模型[6-7]、Bangham模型和Elovich模型[8-9]對吸附動力學過程進行擬合.

Lagergren準一級動力學方程為：

(5)

式中qt為反應t時間的吸附量(mg/g)；t為反應時間(min)；K1為準一級速率常數(min-1)；qe為吸附反應平衡時的吸附量(mg/g).

對式(5)積分，經轉化得方程：

qt=qe-qee-K1·t

(6)

用Lagergren準一級動力學方程(6)對吸附過程進行擬合，得qt—t的關系曲線(圖4，R2=0.76).Lagergren準一級動力學方程為：qt=58.972{1-exp(-0.051x)}

圖4 Lagergren準一級動力學擬合

Lagergren二級動力學方程為：

(7)

式(7)中K2為準二級速率常數(min-1)；其他符號的物理意義同式(5).

對式(7)進行積分，轉化為線性方程為：

(8)

用Lagergren二級動力學方程(8)對吸附過程進行擬合，得qt—t的關系曲線(圖5，R2=0.997).Lagergren二級動力學方程為：t/qt=0.289+0.014t.其中qe=69.638；1/(K2qe)=0.289.

圖5 Lagergren準二級動力線性擬合

Bangham動力學方程[8]為：

(9)

式(8)中q為吸附量(mg/g)；t為反應時間(min)；1/m為吸附速率常數.對式(9)進行積分，轉化為線性方程為：

(10)

用Bangham動力學線性方程(10)對吸附過程進行線性擬合，得lgqt—lgt的關系曲線(圖6，R2=0.967).Bangham動力學方程為：lgq=1.292+0.217lgt.

圖6 Bangham動力學擬合

Elovich吸附動力學方程[9]為：

qt=α+kelnt

(11)

式(11)中qt為反應t時間的吸附量(mg/g)；t為反應時間(min)；ke、α為吸附常數.

用Elovich動力學線性方程(11)對吸附過程進行線性擬合，得qt-lnt的關系曲線(圖7，R2=0.994).Elovich吸附動力學方程為：qt=10.02+9.672lnt.

圖7 Elovich吸附動力學方程擬合

由圖4、5、6、7可知，除Lagergren準一級動力學方程外，其他三種動力學方程對本試驗的吸附過程擬合的線性系數都較高，說明這三種動力學模式都能很好的描述本試驗吸附過程的動力學規律.

其中，Lagergren二級動力學模式擬合線性系數r2=0.998，高于其他動力學模式，且由二級動力學模式推導出的理論吸附量(qe=69.638 mg/g)比一級動力學方程擬合推導出的吸附飽和量(qe=58.975 mg/g)與試驗測得吸附量(qe=67.103 mg/g)更為接近，因此，Lagergren準二級動力學模式能更為貼切的描述改性累托石吸附亞甲基藍的動力學過程.

5 結 語

a.改性累托石吸附處理染料模擬廢水的飽和過程的研究表明，用吸附等溫線進行Freudlich和Langmuir方程對試驗結果進行線性擬合，對比其擬合度(F型R2=0.971，L型R2=0.999)，說明改性累托石對亞甲基藍的吸附過程可以用Langmuir等溫模式很好的描述.

b.從改性累托石吸附處理染料模擬廢水的反應動力學的研究表明，用Lagergren準一級、二級動力學方程、Bangham模式動力學方程和Elovich動力學方程對吸附過程分別進行擬合，對比其擬合度(L1型R2=0.76，L2型R2=0.997，B型R2=0.967，E型R2=0.994)，表明其吸附過程更符合Lagergren二級動力學規律.二級動力學計算出的飽和吸附量qe=69.63 mg/g比一級動力學方程計算出吸附飽和量qe=58.97 mg/g更加接近試驗吸附量qe=67.10 mg/g.

參考文獻：

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