黃麻纖維活性炭對亞甲基藍和甲基橙溶液的吸附性能研究*

劉其霞 何麗芬 楊佳慧 季 濤 高 強

(南通大學炭纖維應用技術研究所，南通，226019)

1 試驗

1.1 試劑

所用試劑有:磷酸、濃鹽酸、氫氧化鈉、MB、MO，均為市售分析純產品;蒸餾水，氮氣。MB與MO的相關參數列于表1［9-10］。

1.2 試驗儀器與設備

V-1200型紫外可見分光光度計(上海美譜達有限公司)，BS124S型精密電子天平(北京賽多利斯科學儀器有限公司)，SHA-C型水浴恒溫振蕩器(金壇市恒豐儀器廠)，GSL-1400X型真空管式爐(合肥科晶材料技術有限公司)。

表1 MB與MO相關參數

1.3 黃麻纖維活性炭樣品的制備

根據前期制備工藝優化試驗得出的結果，本試驗使用的黃麻纖維活性炭樣品的制備方法為:稱取10 g干燥的黃麻纖維，加入200 mL濃度為4 mol/L的磷酸溶液中混合攪拌均勻，煮沸5 h，取出烘干后，置于真空管式爐;在氮氣保護下，升溫至450℃活化1 h，然后等產物冷卻至室溫后將其取出，用蒸餾水洗至中性后烘干即可。采用低溫氮吸附法測試得出，該工藝條件下制得的黃麻纖維活性炭比表面積為1 484 m2/g，平均孔徑為3.27 nm。

1.4 活性炭樣品對染料溶液吸附性能的測試

1.4.1 染料吸光度—濃度標準工作曲線的繪制

精確配制一定濃度的MB和MO溶液，以蒸餾水作為參比液，采用紫外可見分光光度計，分別在660和464 nm波長處測定其吸光度，繪制出兩種染料的吸光度—濃度標準工作曲線，并對其進行線性擬合，結果如圖1和表2所示。

表2 染料的標準工作曲線方程

1.4.2 染料去除率和吸附量的測定

（2）密度。在所有患者中，密度表現均勻的患者有10例，比例為27.8%；空泡征患者有8例，比例為22.2%；支氣管氣像的患者有6例，比例為16.7%；蜂窩狀改變的患者有2例，其比例為5.56%。鈣化的患者有4例，其比例為11.11%；空洞的患者有2例，其比例為5.56%；而密度不均勻的患者有8例，其比例為22.22%。36例周圍型小肺癌患者中，空泡征表現為結節內點狀低密度影，其直徑較小，處于1mm至2mm之內；而結節內部管狀氣體密度影，則是支氣管氣像，有時候會出現分支的表現；鈣化的密度表現為細砂粒樣，在分布特點上是自中或者是偏自的分布形式。

將一定量的活性炭投入裝有一定體積和濃度的染料溶液的燒杯中，在特定溫度和pH值下以150 r/min的速度振蕩一定時間后，過濾于試管中。采用分光光度計測定剩余染料的吸光度，得出剩余染料的質量濃度，并按式(1)計算染料的去除率η:

圖1 兩種染料溶液的吸光度—濃度標準工作曲線

式中:C0——初始染料濃度，mg/L;

C——剩余染料濃度，mg/L。

染料的吸附量計算公式如下［10］:

式中:Q——吸附量，mg/g;

C0——初始染料濃度，mg/L;

C——剩余染料濃度，mg/L;

V——染料溶液的體積，L;

m——加入的活性炭的質量，g。

2 結果與討論

2.1 染料溶液初始濃度對黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

為了考察染料溶液初始濃度對黃麻纖維活性炭吸附效果的影響，在裝有50 mL初始濃度分別為200、300、400、500、600 mg/L 的 MB 或 MO 溶液的燒杯中，分別投入0.1 g黃麻纖維活性炭，調節溶液pH值為7，在25℃條件下振蕩2 h后過濾。分析溶液中剩余MB或MO的濃度，計算出染料的去除率和吸附量，結果如圖2所示。

圖2 染料溶液初始濃度對黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

由圖2可知，隨著染料溶液初始濃度的增大，黃麻纖維活性炭對染料的去除率呈下降趨勢，當初始濃度超過500 mg/L時，下降趨勢明顯加快;染料吸附量隨初始濃度的增加而增大，但逐漸趨緩。這是由于活性炭用量一定時，活性炭對染料的吸附量是有限的，當初始濃度達到500 mg/L時，其對染料的吸附已基本達到飽和。所以隨著染料溶液初始濃度繼續增大，雖然仍有部分染料被吸附導致吸附量略有增大，但去除率卻大幅降低。

2.2 活性炭投加量對黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

為了考察活性炭投加量對黃麻纖維活性炭吸附效果的影響，在裝有50 mL初始濃度為500 mg/L的MB或MO溶液的燒杯中，分別投入0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 g 黃麻纖維活性炭，調節溶液 pH值為7，在25℃條件下振蕩2 h后過濾。分析溶液中剩余MB或MO的濃度，計算出染料的去除率和吸附量，結果如圖3所示。

圖3 活性炭投加量對染料去除率和吸附量的影響

由圖3可知，在活性炭投加量較小時，隨著活性炭投加量的增加，黃麻纖維活性炭對染料的去除率和吸附量均大幅提高。如當活性炭投加量為0.05 g時，活性炭對 MB的去除率為 78.34%，吸附量為170.32 mg/g;當投加量提高至0.10 g時，其對MB的去除率提高到99.43%，吸附量則達到248.58 mg/g。但是當活性炭投加量超過0.10 g時，MB的去除率和吸附量增加趨勢逐漸變緩。這主要是因為在投加量為0.10 g時，活性炭對染料的吸附已基本達到了平衡。

2.3 吸附時間對黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

為了考察吸附時間對黃麻纖維活性炭吸附效果的影響，在裝有50 mL初始濃度為500 mg/L的MB或MO溶液的燒杯中，分別投入0.1 g黃麻纖維活性炭，調節溶液pH值為7，在25℃條件下分別振蕩 30、60、90、120、150 min 后過濾。分析溶液中剩余MB或MO的濃度，計算出染料的去除率和吸附量，結果如圖4所示。

由圖4可知，活性炭對兩種染料溶液的吸附速率存在較大差異。在吸附的初始階段，MB的吸附速率明顯高于MO，當吸附時間為30 min時，MB的吸附量為 238.34 mg/g，而 MO的吸附量僅為202.65 mg/g。之后，隨著吸附時間的延長，MB的吸附速率逐漸趨緩，去除率和吸附量緩慢上升，在吸附時間為2 h時吸附基本達到平衡。這可能是因為在吸附的初始階段活性炭對染料分子的吸附是一種分子表面之間的作用;隨后，染料分子借助孔的擴散作用逐漸由活性炭表面進入活性炭孔隙內;隨著活性炭對染料分子吸附量的增大，活性炭孔隙內染料分子逐漸增多，大量的吸附位被占據，從而導致吸附速度逐漸減慢，因而需要較長的時間來達到吸附平衡［11］。然而MO在慢速吸附階段的吸附速率反而有所上升，甚至超過了MB。這主要是由兩種染料分子的尺寸不同而引起的，由表1可知，MO的分子尺寸大于MB分子，因此在吸附的初始階段因受到較大的阻力而吸附速率較慢，吸附量較小，慢速吸附階段活性炭內部仍有大量吸附位未被占據，時間的延長有利于分子的擴散，因此在慢速吸附階段吸附速率反而加快［10］。

圖4 吸附時間對染料去除率和吸附量的影響

2.4 水浴溫度對黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

為了考察水浴溫度對黃麻纖維活性炭吸附效果的影響，在裝有50 mL初始濃度為500 mg/L的MB或MO溶液的燒杯中，投入0.1 g黃麻纖維活性炭，調節溶液 pH 值為7，分別在25、30、35、40、45℃的水浴溫度條件下振蕩2 h后過濾。分析溶液中剩余MB或MO的濃度，計算出染料的去除率和吸附量，結果如圖5所示。

由圖5可知，隨著水浴溫度的升高，染料的去除率和吸附量變化不大，但總體上呈現出緩慢增加的趨勢。這一方面是因為溫度的升高，使染料分子的活躍度增加，從而加快了染料分子的遷移速度，促進了活性炭對染料分子的吸附;另一方面是因為溫度的升高能使活性炭內部的孔隙膨脹，起到了一定的擴孔作用，從而使活性炭的吸附量增大［12］。

圖5 水浴溫度對染料去除率和吸附量的影響

2.5 染料溶液pH值對黃麻纖維活性炭吸附效果的影響

為了考察染料溶液pH值對黃麻纖維活性炭吸附效果的影響，在裝有50 mL初始濃度為500 mg/L的MB或MO溶液的燒杯中，投入0.1 g黃麻纖維活性炭，調節溶液 pH 值分別為 2、4、6、8、10，在25℃條件下振蕩2 h后過濾。分析溶液中剩余MB或MO的濃度，計算出染料的去除率和吸附量，結果如圖6所示。

圖6 染料溶液pH值對染料去除率和吸附量的影響

從圖6可以看出，隨著染料溶液pH值的增加，黃麻纖維活性炭對MB的去除率和吸附量逐漸增加，當pH＜6時，其增加趨勢較為明顯;當pH＞6時，其增加趨勢較為平緩。由此可知，對MB的吸附在染料溶液接近中性(pH=6)時最佳，去除率為99.33%，吸附量為248.43 mg/g。這主要是因為MB為陽離子型染料，溶于水呈一價有機陽離子，在酸性條件下，活性炭表面帶正電荷的基團對MB的吸附產生了一定的遏制作用，而在中性條件下，活性炭表面的極性會因溶液中雙電荷層的形成而發生改變，從而導致其對MB的去除率大幅提高［13-14］。從圖6還可以看出，隨著染料溶液pH值的增加，黃麻纖維活性炭對MO的去除率和吸附量逐漸減小，在強酸條件(pH=2)下，活性炭對其吸附效果最好，去除率為95.42%，吸附量為213.78 mg/g。

2.6 黃麻纖維活性炭對MB和MO吸附機理的探討

將圖2～圖6進行對比分析可以看出，黃麻纖維活性炭對MB的吸附量均高于MO，產生這種差異的原因主要是由于活性炭對染料的吸附效果與染料分子尺寸、染料分子與活性炭表面作用力等因素密切相關。由表1可知，MB的和分子尺寸為1.43 nm ×0.55 nm ×0.16 nm，MO 的分子尺寸為1.47 nm ×0.53 nm ×0.53 nm，兩種分子尺寸均小于黃麻纖維活性炭樣品的平均孔徑(3.27 nm)，因而都能夠進入活性炭的內部孔隙進行擴散。但是與MO分子相比，MB分子所占空間較小，因而能被更小的孔隙吸附，并且由于其在擴散過程中受到的阻力較小，更易進入活性炭內部與吸附位結合，因此具有更高的吸附量［10，15］。

除染料分子尺寸外，活性炭表面官能團會影響染料分子與活性炭表面的作用力，因而對吸附量也有一定的影響［16］。通常表面官能團分為酸性、堿性和中性三種，在活性炭熱解過程中，黃麻纖維在磷酸的作用下表面會生成酮和酯等含有羰基的酸性官能團，它們能促進活性炭對堿性物質的吸附，而對酸性物質吸附不利。而MB是一種堿性染料，MO是一種酸性染料，因而黃麻纖維活性炭對MB的吸附量要高于MO。

3 結語

本文對黃麻纖維活性炭對MB和MO染料溶液的吸附性能進行了研究，得到如下結論:

(1)隨著染料溶液初始濃度的增加，活性炭對染料的去除率逐漸降低，吸附量隨初始濃度的增加而增大，但增量逐漸減緩;隨著活性炭投加量的增加，活性炭對染料的去除率和吸附量逐漸增大，達到吸附平衡后，增幅逐漸變小;染料的去除率和吸附量隨吸附時間的延長均逐漸增大，在吸附初始階段，活性炭對MB的吸附速率明顯高于MO，而在慢速吸附階段，活性炭對MO的吸附速率反而高于MB;隨著水浴溫度的升高，染料的去除率和吸附量變化不大;染料溶液pH值對兩種染料的去除率和吸附量的影響存在較大差異，MB的去除率和吸附量隨染料溶液pH值增加而增大，而MO的去除率和吸附量隨之減小。

當MB溶液接近中性(pH=6)時，活性炭對MB的吸附效果最佳;當MO溶液為強酸(pH=2)時，活性炭對MO的吸附效果最好。

(2)受染料分子尺寸、染料分子與活性炭表面作用力等因素的影響，黃麻纖維活性炭對MB的吸附效果比對MO的吸附效果要好。

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