土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍吸附的研究

高 勤，郝明亮，周保華，貢麗鵬

(1.河北省環境科學研究院，河北石家莊 050037；2.河北科技大學環境科學與工程學院，河北石家莊 050018；3.河北省環境科學學會，河北石家莊 050000)

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土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍吸附的研究

高 勤1，郝明亮1，周保華2，貢麗鵬3

(1.河北省環境科學研究院，河北石家莊 050037；2.河北科技大學環境科學與工程學院，河北石家莊 050018；3.河北省環境科學學會，河北石家莊 050000)

[目的]研究土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍的吸附。[方法]以土霉素菌渣活性炭為吸附劑，研究了pH、吸附溫度及轉速對土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍效果的影響，并采用準一級方程和準二級方程模型對反應動力學數據進行擬合。[結果]隨著pH的增大，吸附量增大；吸附溫度為35 ℃時吸附量最大；轉速為150 r/min時吸附量最大；準二級反應動力學模型能夠較好地描述土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍的吸附動力學數據。[結論]該研究可為土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍廢水的科學研究和合理利用提供科學依據。

土霉素菌渣活性炭；亞甲基藍；吸附

亞甲基藍是一種堿性染料，其產生的廢水色度高，濃度大，嚴重影響人體健康，是難以治理的工業廢水之一[1]。含亞甲基藍廢水的處理方法主要有氧化、吸附、膜分離、絮凝、生物降解等[2]。吸附法是處理亞甲基藍廢水最常用的方法，因此探索更經濟高效的吸附劑成為備受關注的課題。

土霉素菌渣活性炭是以制藥行業產生的土霉素菌渣為原料，經化學活化法制備而成的一種顆粒狀活性炭。該活性炭具有空隙結構發達，比表面積大，吸附性能好，應用領域廣的特點。土霉素菌渣活性炭在解決活性炭制備過程中存在的原材料緊缺、成本高的問題以及大量需求的同時，還可以將制藥行業廢棄物變廢為寶，既節約了資源又改善了環境。筆者以土霉素菌渣活性炭為吸附劑，研究了pH、吸附溫度及轉速對土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍效果的影響，在此基礎上研究了土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍的吸附動力學行為，為土霉素菌渣活性炭去除亞甲基藍廢水提供了科學依據，同時為土霉素菌渣活性炭的利用探索了新途徑。

1 材料與方法

1.1 原料吸附劑：以K2CO3為活化劑在最佳工藝條件下實驗室制備的土霉素菌渣活性炭，其粒徑范圍為20～80目。首先將土霉素菌渣活性炭在去離子水中煮沸1 h，然后過濾，再在105 ℃下干燥24 h，密封備用[3]。

1.2 主要化學試劑及儀器試劑：亞甲基藍、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、氫氧化鈉、鹽酸。儀器：BS124S型電子天平(max 120 g，d=0.000 1 g)；UV1102型分光光度計(波長范圍190～1 100 nm，波長準確度≤±0.5 nm)；THZ-82型恒溫振蕩器(室溫5～60 ℃，振蕩頻率40～300 r/min)；PHS-25型數顯pH計(誤差≤±0.05 pH)。

1.3 試驗方法配制不同質量濃度的亞甲基藍溶液，加入一定量的土霉素菌渣活性炭，用體積分數為5%的鹽酸溶液和質量分數為5%的氫氧化鈉溶液調節pH，放入恒溫振蕩器振蕩一定時間，經定性濾紙過濾后測其吸附量。土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍的吸附量關系如式(1)：

(1)

式中,qt為t時刻吸附量，mg/g；C0為亞甲基藍溶液初始濃度，mg/L；Ct為t時刻亞甲基藍濃度，mg/L；V為亞甲基藍溶液的體積，L；M為土霉素菌渣活性炭的用量，g。

1.4 試驗分析方法采用《木質活性炭試驗方法——亞甲基藍吸附值的測定》測定亞甲基藍濃度[4]。

2 結果與分析

2.1 pH的影響由圖1可知，隨著pH的增大，土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍的吸附量增大，達到100 min后，不同pH的吸附量增加較小。吸附劑和吸附質之間的靜電作用可以影響吸附量。亞甲基藍離子帶正電，在堿性條件下，有利于土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍離子的吸附，吸附量提高；而在酸性條件下，土霉素菌渣活性炭表面的正電荷與帶正電荷的亞甲基藍離子產生靜電排斥作用，吸附量下降[5-6]；隨著反應的進行，吸附漸漸趨于飽和，吸附量增加較小。

2.2 溫度的影響由圖2可知，隨著溫度的升高，土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍的吸附量增加，但溫度超過35 ℃，吸附量下降。當溫度較低時，亞甲基藍分子的熱運動能較低，其與活性炭碰撞的幾率也就相對較低，吸附量不大。隨著溫度的升高，亞甲基藍分子的熱運動加劇，土霉素菌渣活性炭與亞甲基藍分子的接觸幾率隨之增大；但溫度過高時，分子的熱運動過于激烈，活性炭對亞甲基藍分子的解吸速率大于吸附速率，最終導致吸附量隨著溫度的繼續升高而下降[7]。

2.3 轉速的影響由圖3可知，隨著振蕩速度的增加，吸附量呈先上升后下降最終大致趨于平衡的趨勢。增加的原因是由于振蕩速度的提高，水的剪切力作用變大，降低了土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍的液膜阻力[8]；轉速過大時，吸附量下降是由于吸附在土霉素菌渣活性炭表面的亞甲基藍離子并非全部都是相當牢固，轉速過大會導致固定得比較弱的亞甲基藍離子又釋放到溶液中，從而表現出吸附量下降。

(2.4 吸附動力學

(1)準一級動力學方程。準一級動力學方程可用式(2)表示：

(2)

(2)準二級動力學方程。準二級動力學方程可用式(3)表示：

(3)

(3)歸一化標準差Δq(%)，表示吸附的最適用動力學模型[9]，可用式(4)表示：

(4)

式中，n為試驗測試點數目(無量綱)；qexp為實際吸附量，mg/g；qcal為理論吸附量，mg/g；qe為平衡吸附量，mg/g；qt為t時刻吸附量，mg/g；t為吸附時間，min；k1為準一級吸附速率常數，min-1；k2為準二級吸附速率常數，g/(mg·min)。

(4)吸附動力學相關數據及擬合結果如下：

表1 土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍的動力學參數

由圖4可知，隨著亞甲基藍溶液初始濃度的增大，土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍的吸附量增加。當亞甲基藍濃度增大時，傳質推動力加大，亞甲基藍分子的擴散速度加快，吸附速率增大[10]。由表1及圖5可知，準二級方程具有更高的相關系數和更低的歸一化標準差，且準二級方程中的理論吸附量比準一級方程中的理論吸附量更接近于實際吸附量，說明土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍的吸附更符合準二級反應動力學方程。因為準一級動力學認為顆粒內傳質阻力是吸附的限制因素，不可以準確地描述吸附的全過程，而準二級模型包含吸附的全部過程，如外部液膜擴散、吸附和內部顆粒擴散等，能夠更為真實地反映吸附機理[11-12]。

3 結論

(1)研究了pH、吸附溫度、轉速對土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍的影響。隨著pH的增大，土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍的吸附量增大，但是變化趨勢不明顯；在吸附溫度和轉速分別為35 ℃和150 r/min時，吸附量分別最大。

(2)通過準一級方程和準二級方程研究了土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍溶液的吸附動力學模型，結果表明準二級方程可以更好地描述吸附動力學。

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Study on the Adsorption of Methylene Blue by Oxytetracycline Bacterial Residue Activation Carbon

GAO Qin1, HAO Ming-liang1, ZHOU Bao-hua2et al

(1. Hebei Provincial Academy of Environmental Science, Shijiazhuang, Hebei 050037; 2. College of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050000)

[Objective] The research aims to study the adsorption of methylene blue by oxytetracycline bacterial residue activation carbon. [Method] Oxytetracycline bacterial residue activation carbon is the adsorbent, and the effects of pH, adsorption temperature and rotation speed on adsorption for methylene blue are studied. Pseudo-first-order and pseudo-second-order models are used to fit the kinetic data. [Result] The adsorption capacity increases with the increase of pH, and is the maximum at 35 ℃. When rotation speed is up to 150 r/min, the adsorption capacity is the maximum. Kinetic study results show that the kinetic data are well described by the pseudo-second-order kinetic model. [Conclusion] The research could provide the scientific basis for scientific research and reasonable utilization of oxytetracycline bacterial residue activation carbon adsorbing methylene blue.

Oxytetracycline bacterial residue activation carbon; Adsorption; Methylene blue

高勤(1984-)，女，河北保定人，助理工程師，碩士，從事固體廢棄物資源化利用方面的研究。

2015-02-12

S 181.3;X 705

A

0517-6611(2015)10-243-03