摘要:以花生殼為原料,甲醇為改性劑,制備了酯化改性花生殼吸附劑,并以其吸附水溶液中的溴甲酚綠,考察了溴甲酚綠的初始濃度、吸附時(shí)間、吸附劑粒徑、溫度等因素對(duì)改性花生殼吸附溴甲酚綠過程的影響。結(jié)果表明,當(dāng)溫度為293K、溴甲酚綠初始濃度為22.21 mg/L時(shí),在改性花生殼用量為2 g/L、吸附時(shí)間為6 h的條件下,吸附量可達(dá)3.29 mg/g。酯化改性花生殼對(duì)溴甲酚綠的吸附符合擬二級(jí)速率方程。在試驗(yàn)溫度下,甲醇酯化改性花生殼對(duì)溴甲酚綠的吸附平衡符合Langmuir和Freundlich等溫方程,等量吸附焓變?chǔ)ぃ龋荆埃磻?yīng)吉布斯自由能變?chǔ)ぃ牵迹埃砻髟撐竭^程為自發(fā)進(jìn)行的吸熱過程。
關(guān)鍵詞:花生殼;溴甲酚綠;吸附;動(dòng)力學(xué);熱力學(xué)
中圖分類號(hào):TQ424.3;X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2011)08-1558-03
Study on the Adsorption of Bromocresol Green by Methanol Etherified Peanut Hull
SONG Ying-hua,GAO Yuan
(Institute of Environmental and Biology Engineering, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)
Abstract: Peanut hull etherified by methanol was used as the adsorbent to adsorb bromocresol green from aqueous solution. The effects of initial bromocresol green concentration, adsorption time, absorbent particle size and temperature on the adsorption process were discussed. Results showed that the maximal adsorption capacity was up to 3.29 mg/g when the dosage of modified peanut hull was 2 g/L, the adsorption time was 6 h, the temperature was 293K, and the initial concentration of bromocresol green was 22.21 mg/L. Kinetic results indicated that adsorption of bromocresol green by methanol etherified peanut hull fit the pseudo-second order kinetic model. Thermodynamic result showed that adsorption equilibrium of bromocresol green by etherified peanut hull at the experimental temperatures accorded with the Freundlich and the Langmuir isotherm adsorption equations. The positive values of the adsorption enthalpy and negative values of the free energy indicated the process was spontaneous and endothermic.
Key words: peanut hull; bromocresol green; adsorption; kinetics; thermodynamics
染料工業(yè)廢水對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康的影響日益嚴(yán)重,而這些染料幾乎都是人工合成的,且這些染料具有抗光解、抗氧化和抗生物降解等特性,如何有效地處理染料廢水是當(dāng)前水處理領(lǐng)域中非常迫切的任務(wù)。目前,工業(yè)上常用的處理方法主要有氧化法、混凝法、吸附法和電解法等,其中又以吸附法的研究較多。而生物吸附技術(shù)以其成本低廉、處理效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)。大量研究表明,一些微生物、有機(jī)物以及農(nóng)業(yè)廢棄物等對(duì)不同染料都具有很強(qiáng)的吸附能力[1-4]。我國是農(nóng)業(yè)大國,花生殼來源豐富,成本低廉,可生物降解,對(duì)環(huán)境友好,花生殼中含有兒茶酚等多元酚以及大量的纖維素類物質(zhì),可針對(duì)不同的吸附對(duì)象,通過化學(xué)改性引入對(duì)有機(jī)物或金屬離子作用力更強(qiáng)的活性基團(tuán),以改善其吸附能力。關(guān)于花生殼或以其制備的活性炭用于染料廢水處理,國內(nèi)外雖有報(bào)道[5-7],但其研究內(nèi)容多是考察溶液pH值、染料濃度、花生殼用量等試驗(yàn)條件對(duì)吸附效果的影響,而對(duì)吸附過程中的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)機(jī)理未進(jìn)行深入研究。
針對(duì)上述問題,以甲醇對(duì)花生殼進(jìn)行酯化改性,制備生物吸附劑,探討其對(duì)水溶液中溴甲酚綠的吸附規(guī)律,以期為有效地處理染料廢水提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1儀器與材料
SHA-C型水浴恒溫振蕩器(江蘇金壇市中大儀器廠);UV751紫外可見分光光度計(jì)(上海儀器廠); ALl04電子天平。
所用花生殼購自當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場,經(jīng)洗滌、50℃烘干、粉碎、過篩后備用。溴甲酚綠為CR級(jí),其他試劑均為分析純,水為去離子水。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1花生殼的改性取花生殼10 g置于500 mL圓底燒瓶中,加入703 mL 99.9%的甲醇和6 mL濃鹽酸,在水浴鍋中加熱回流48 h,抽濾去除溶劑,粉渣用去離子水洗至中性,于60℃下烘干,即得甲醇酯化改性花生殼,置于干燥器中備用[8]。
1.2.2改性花生殼對(duì)溴甲酚綠的吸附稱取一定粒度大小的改性花生殼于錐形瓶中,加入一定濃度的溴甲酚綠溶液,置于一定溫度的水浴恒溫振蕩器中,以一定振蕩速度振蕩一定時(shí)間后,過濾,以分光光度法測(cè)定上清液中溴甲酚綠濃度,吸附量和染料去除率分別采用公式(1)和公式(2)進(jìn)行計(jì)算:
式中,qt為t時(shí)刻的吸附量,mg/g;C0和Ct分別為吸附前和t時(shí)刻溶液中溴甲酚綠的濃度,mg/L;V為溶液體積,L;m為花生殼質(zhì)量,g。
1.2.3吸附動(dòng)力學(xué)在溴甲酚綠初始濃度為22.21 mg/L、改性花生殼加入量為2 g/L、溫度為293K、振蕩速度為150 r/min的條件下,在不同吸附時(shí)間下,測(cè)定改性花生殼對(duì)溴甲酚綠的吸附效果,利用Lagergren一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程與擬二級(jí)速率方程來描述吸附動(dòng)力學(xué)。
Lagergren一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程:
式中,X為吸附質(zhì)在平衡溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)。
計(jì)算時(shí),以特定的吸附等溫方程代入即可。如果以Freundlich吸附等溫方程式代入計(jì)算,則可推導(dǎo)得單位吸附質(zhì)自由能變與qe無關(guān)[10]:
ΔG=-1/nRT (7)
吸附過程熵變?chǔ)ぃ涌梢酝ㄟ^Gibbs-Helmholtz方程進(jìn)行計(jì)算[10]:
2結(jié)果與分析
2.1改性花生殼用量對(duì)其吸附溴甲酚綠性能的影響
在溴甲酚綠初始濃度為57.23 mg/L、改性花生殼加入量為1、2、3、4和5 g/L、吸附時(shí)間為6 h、溫度為293K、振蕩速度為150 r/min的條件下,考察改性花生殼用量對(duì)其吸附溴甲酚綠性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可知,在試驗(yàn)條件下,當(dāng)改性花生殼用量大于4 g/L時(shí),溴甲酚綠的去除率基本不再隨花生殼用量增加而發(fā)生變化。
2.2吸附時(shí)間對(duì)改性花生殼吸附溴甲酚綠性能的影響
按1.2.3所述,考察吸附時(shí)間對(duì)改性花生殼吸附溴甲酚綠性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知,改性花生殼對(duì)溴甲酚綠的吸附量隨吸附時(shí)間的延長而增加:在吸附的前2 h內(nèi),改性花生殼對(duì)溴甲酚綠的吸附量隨時(shí)間的延長而快速增加,但在2 h之后,吸附量隨時(shí)間變化而逐漸趨于平緩,當(dāng)吸附時(shí)間超過6h后,吸附量基本不再隨時(shí)間的變化而變化。
2.3改性花生殼粒徑對(duì)其吸附溴甲酚綠性能的影響
在溴甲酚綠初始濃度為34.50 mg/L、改性花生殼加入量為2 g/L、溫度為293K、振蕩速度為150 r/min的條件下,考察3種不同粒徑大小的改性花生殼對(duì)其吸附溴甲酚綠性能的影響,結(jié)果見圖3。由圖3可見,隨著改性花生殼的粒徑減小,由于比表面積增大,使得位于花生殼表面的可供吸附的活性位點(diǎn)增多,從而使得其吸附量增大。
2.4吸附動(dòng)力學(xué)行為
對(duì)圖2的試驗(yàn)數(shù)據(jù),以Lagergren一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和擬二級(jí)速率方程分別對(duì)其進(jìn)行擬合,結(jié)果見表1。由表1數(shù)據(jù)可以看出,以擬二級(jí)速率方程擬合得到的平衡吸附量與實(shí)測(cè)值基本吻合,且擬合相關(guān)系數(shù)為0.994,故溴甲酚綠在花生殼上的吸附動(dòng)力學(xué)行為符合擬二級(jí)速率方程,速率常數(shù)k2=0.015g/(mg·min)。
2.5吸附熱力學(xué)行為
按1.2.4所述,所得吸附等溫線見圖4。用Langmuir和Freundlich吸附等溫式對(duì)其進(jìn)行擬合,結(jié)果列于表2。由表2可知,溴甲酚綠在改性花生殼上的吸附對(duì)Freundich等溫式和Langmuir等溫式均較為符合, Freundich常數(shù)n值大于1,說明該吸附過程為優(yōu)惠吸附。從Langmuir等溫式擬合可看出,323K時(shí)比293K下的qmax大,最大吸附量為323K時(shí)的4.91mg/g。
根據(jù)公式(5),計(jì)算在不同吸附量水平下的等量吸附焓變?chǔ)ぃ龋檬剑?)計(jì)算不同溫度下的自由能變?chǔ)ぃ牵倮檬剑ǎ福┯?jì)算吸附過程熵變?chǔ)ぃ樱媒Y(jié)果列于表3。
由表3中數(shù)據(jù)可以看出,溴甲酚綠在改性花生殼上的等量吸附焓變?chǔ)ぃ却笥诹悖砻魑绞且粋€(gè)吸熱過程,溫度升高有利于吸附,這與表2中數(shù)據(jù)相吻合。在試驗(yàn)溫度下,花生殼對(duì)溴甲酚綠的吸附自由能變都為負(fù)值,表明該過程是一自發(fā)進(jìn)行的過程,溴甲酚綠容易被花生殼吸附。吸附熵變總為正值,表明體系的無序性增大,這是由于溴甲酚綠的吸附是熵減少的過程,而水分子脫附是熵增加的過程,由吸附等溫線所求出的ΔH、ΔG和ΔS是發(fā)生在花生殼表面上溴甲酚綠的吸附和水分子解吸這兩個(gè)獨(dú)立過程的總量,吸附一個(gè)溴甲酚綠導(dǎo)致更多水分子脫附,故使得整個(gè)過程熵增加[11]。
2.6改性花生殼與未改性花生殼吸附效果的比較
在溴甲酚綠濃度為100 mg/L、花生殼加入量為2 g/L、溫度為293K、振蕩速度為150 r/min,發(fā)現(xiàn)未改性花生殼和甲醇酯化花生殼對(duì)溴甲酚綠的吸附量分別為42.25和44.11 mg/g,可知改性花生殼對(duì)溴甲酚綠的吸附效果優(yōu)于未改性花生殼。
3結(jié)論
1)當(dāng)溫度為293K、溴甲酚綠初始溶液濃度為22.21 mg/L時(shí),在改性花生殼用量為2 g/L、振蕩速度為150 r/min、吸附時(shí)間為6 h的條件下,溴甲酚綠吸附量可達(dá)3.29 mg/g。
2)動(dòng)力學(xué)研究表明,擬二級(jí)速率方程可以很好地描述甲醇酯化改性花生殼對(duì)溴甲酚綠的吸附行為。
3)在研究的溫度范圍內(nèi),溴甲酚綠在酯化改性花生殼上的平衡吸附數(shù)據(jù)符合Freundlich和Langmuir等溫吸附方程,計(jì)算得到的熱力學(xué)參數(shù)表明,該過程為自發(fā)進(jìn)行的吸熱反應(yīng)過程。
參考文獻(xiàn):
[1] ROBINSON T, CHANDRAN B, NIGAM P. Removal of dyes from a synthetic textile dye effulent by biosorption on apple pomace and wheat straw[J]. Water Research, 2002,36:2824-2830.
[2] MCKAY G, EL-GEUNDI M, NASSAR M M. Equilibrium studies during the removal of dyestuffs from aqueous solutions using bagasse pith [J]. Water Research,1987,24:1513-1520.
[3] FU Y Z, VIRARAGHAVAN T. Dye biosorption sites in Aspergillus niger[J]. Bioresource Technology,2002,82: 139-145.
[4] KUMAR K V, KUMARAN A. Removal of methylene blue by mangoseed kernel powder[J]. Biochem Eng J, 2005,27:83-93.
[5] DURSUN O, GULBEYI D, AHMET O. Methylene blue adsorption from aqueous solution by dehydrated peanut hull[J]. Journal of Hazardous Materials, 2007,144:171-179.
[6] ROMERO L C, BONCOMO A, GONZO E E. Acid activated carbons form peanut shells: synthesis, characterization and uptake of organic compounds from aqueous solutions[J].AdsorpSci Technol, 2001,21(7):617-626.
[7] 楊超,龔仁敏,劉必融,等.花生殼粉生物吸附水溶液中陰離子染料的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2004,15(11):2195-2198.
[8] TIEMANN K J, GAMEZ G, DOKKEN K, et al. Chemical modification and X-ray absorption studies for lead(II) binding by Medicago sativa (alfalfa) biomass[J]. Microchemical Journal, 2002,71(2-3):287-293.
[9] GARCIA-DELGADO R A, COTORUELO-MINGUEZ L M, RODRIGUEZ J J. Equilibrium study of single-solute adsorption of anion surfactants with polymeric XAD resins[J]. Sep Sci & Technol,1992,27(7):975-987.
[10] JOHN P B, MARIOS T. Removal of hazardous organic pollutants by biomass adsorption[J]. J Water Pollut Control Fed, 1987,59:191-198.
[11] GENG X P. Study on the fractions of thermodynamic function changes for both adsorption and Desorption from a liquid-solid system[J]. Thermochimica Acta,1998,308(1-2):131-138.