小麥秸稈生物質炭對水中羅丹明B的吸附研究

李飛躍，陶進國，張麗，王艷，鄒海明，謝越，汪建飛

(安徽科技學院 城建與環境學院，安徽 鳳陽 233100)

染料廢水由于其色度高、COD 高、成分復雜、水質變化大及可生化性差等特點，被公認為最難處理的工業廢水之一［1］。當前，處理染料廢水的方法，主要可分為物理化學法、化學法及生物法三大類，這些方法各有缺點［2-3］。其中，吸附法被認為是一種處理染料廢水的有效方法，為國內外研究者所青睞［4］。吸附法的核心是吸附材料的選擇，在染料廢水處理工藝中，活性炭是應用最廣的吸附劑。然而，其價格成本較高，不適合大范圍推廣使用，同時，商業化的活性炭往往含有大量的重金屬，存在二次污染的風險。

生物質炭是指生物質廢棄物在缺氧及高溫條件下，熱解獲得的一類高度芳香化富含碳的固態物質，是廣義概念上黑炭的一種［5-6］。生物質炭像活性炭一樣，孔隙結構發達，比表面積大，不同的是生物質炭在生產過程中通常不需要活化和處理，被認為是一種理想通用的吸附材料，近年來，被廣泛的應用在水處理領域［7-8］。

羅丹明B 是一種有代表性的染料模型化合物［9-10］。本研究以小麥秸稈為原料制備生物質炭吸附材料，探討其對羅丹明B 染料廢水的吸附去除作用，以期為高效和廉價的染料廢水處理新方法的建立提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

羅丹明B、鹽酸、NaOH 均為分析純。

PE2400-Ⅱ型元素分析儀;SA3100 型比表面積分析儀;EVO-18 型掃描電子顯微鏡;PHS-3E 型酸度計;UV-16/18 型紫外/可見分光光度計。

1.2 小麥秸稈生物質炭的制備

小麥秸稈用蒸餾水洗凈、烘干、破碎。稱取一定質量的小麥秸稈，放入自制的不銹鋼熱解裝置內，通入高純氮氣，使裝置內處于厭氧環境，以20 ℃/min升溫速率加熱，500 ℃熱解2 h。關閉馬弗爐，自然冷至室溫。將生物質炭磨碎，過100 目篩。

1.3 生物質炭對羅丹明B 染料廢水的吸附

稱取0.1 g 生物質炭粉末置于100 mL 三角瓶中，分別加入25 mL 0.05 mmol/L 的羅丹明B 染料廢水，放入恒溫搖床，25 ℃下，150 r/min 振蕩24 h，靜置2 h，過0.45 μm 的濾膜，分光光度計測定濾液中羅丹明B 的含量。計算小麥秸稈生物質炭對羅丹明B 的吸附量(Q)和去除率(η)。

式中 Q——小麥秸稈生物質炭對羅丹明B 的吸附量，mmol/g;

C0——水樣中羅丹明B 的起始濃度，mmol/L;

Ce——吸附后水樣中羅丹明B 的平衡濃度，mmol/L;

V——水樣體積，mL;

M——小麥秸稈生物質炭的用量，g;

η——生物質炭對羅丹明B 的去除效率，%。

2 結果與討論

2.1 生物質炭的性質

小麥秸稈生物質炭的C 含量是62.9%，H 含量是4. 19%，pH 值為10. 2。小麥秸稈生物質炭的3 000 倍電子掃描電鏡(SEM)照片見圖1。

圖1 小麥秸稈生物質炭的SEM 圖Fig.1 The SEM images of wheat straw biochar

由圖1 可知，生物質炭表面凹凸不平，疏松多孔，表面積(BET-N2)33.2 m2/g，說明其具有較大的比表面積，可用作吸附材料。

2.2 生物質炭對羅丹明B 的吸附等溫線

稱取0.1 g 生物質炭粉末置于100 mL 三角瓶中，分別加入25 mL 一系列不同濃度(0 ～1.5 mmol/L)的羅丹明B 染料廢水，放入恒溫搖床，25 ℃下，150 r/min 振蕩24 h，靜置2 h，過0.45 μm 的濾膜，收集濾液，其余操作步驟同1.3 節。小麥秸稈生物質炭對羅丹明B 染料等溫吸附曲線見圖2。

圖2 生物質炭對羅丹明B 染料等溫吸附曲線Fig.2 Adsorption isotherm curves of Rhodamine-B on biochar

由圖2 可知，隨羅丹明B 染料廢水濃度的增加，生物質炭的吸附量增加迅速，隨后增加趨緩。用Langmuir 模型描述生物質炭對染料廢水的吸附等溫線，得到最大吸附量為0.022 mmol/g，R2=0.998，表明吸附過程符合Langmuir 等溫式，屬于單分子層吸附。

2.3 pH 對生物質炭去除羅丹明B 染料廢水效果的影響

稱取0.1 g 生物質炭粉末置于100 mL 三角瓶中，加入25 mL 0.05 mmol/L 的羅丹明B 染料廢水，用0.1 mol/L 的HCl 和NaOH 調節溶液的pH(3 ～11)，其余操作步驟同1.3 節，結果見圖3。

圖3 pH 對生物質炭去除羅丹明B 染料效果的影響Fig.3 Effect of pH on Rhodamine-B removal by biochar

由圖3 可知，隨著pH 的升高，生物質炭對羅丹明B 去除率增加，pH =9 時去除效果最好，去除率達到73.8%，這可能是因為生物質炭帶負電荷，隨著pH 的升高，生物質炭表面的負電荷數量增多［11］，羅丹明B 染料作為陽離子染料在生物炭表面發生靜電吸附，導致其吸附量隨pH 的升高而增加。pH 超過9 時，生物質炭對羅丹明B 去除率減少。

2.4 離子強度對生物質炭去除羅丹明B 染料廢水效果的影響

分別以0，0. 01，0. 1 mol/L NaCl 為溶液基質(模擬不同離子強度的溶液)，配制0.05 mmol/L 的羅丹明B 染料廢水，其余操作步驟同上，研究離子強度對生物質炭吸附羅丹明B 效果的影響，結果見表1。

表1 離子強度對生物質炭去除羅丹明B 染料效果的影響Table 1 Effect of ion strength on Rhodamine-B removal by biochar

由表1 可知，和對照相比，低濃度的離子強度降低了生物質炭對羅丹明B 的去除率，減少了26.4%;相反，高濃度的離子強度則提高了生物質炭對羅丹明B 的去除率，增加了49.9%。通常，根據靜電吸附原理，離子強度增加，電解質溶液中離子與吸附離子競爭生物質炭表面孔道上的吸附位點，導致羅丹明B 去除率降低，然而，本實驗中當離子濃度增加到0.1 mol/L NaCl 時，羅丹明B 的去除率反而增加了，可見，這時羅丹明B 不是以靜電吸附機制被生物質炭吸附，主要發生了化學吸附或物理吸附。

2.5 生物質炭對羅丹明B 染料廢水的淋濾實驗

有機玻璃管柱(長20 cm，內徑3.2 cm)的下層墊一層濾紙，加入22 g 小麥秸稈生物質炭，輕輕壓實后，上面再墊一層濾紙。染料廢水通過蠕動泵控制流速，使得出水速度和進水速度一致，羅丹明B染料廢水進水起始濃度為0.05 mmol/L，淋濾18 個孔體積(每個孔體積100 mL)，而后改為0.4 mmol/L。定時取樣，記錄濾液體積，并測定濾液中羅丹明B的含量，結果見圖4。

圖4 淋濾液中羅丹明B 染料濃度的動態變化Fig.4 Variation in Rhodamine-B concentration in leaching experiment

由圖4 可知，前21 個孔體積，出水羅丹明B 濃度接近0，表觀感覺是紅色羅丹明染料廢水經生物質炭柱吸附淋濾后，溶液澄清透明無色，表明羅丹明B 染料幾乎全被小麥秸稈生物質炭吸附;隨著取樣次數的增加，出水羅丹明B 濃度逐漸增高，最終淋出液羅丹明B 濃度接近進水羅丹明B 濃度(0.4 mmol/L)，此時淋出液累積體積為2.5 L，小麥秸稈生物質炭對羅丹明B 的累積平均吸附量為0.013 mmol/g，低于Langmuir 方程預測的最大吸附量，說明此時小麥秸稈生物質炭還沒有達到飽和吸附狀態。可見，小麥秸稈生物質炭是去除水中羅丹明B 等陽離子染料的良好吸附劑，而且生物質炭本身即為燃料，吸附染料的生物質炭可以通過焚燒進行處理，不會產生二次污染，是一種環境友好型的吸附材料，應用前景廣闊。

3 結論

(1)Langmuir 方程可以描述小麥秸稈生物質炭對水中羅丹明B 的吸附行為，其最大吸附量為0.022 mmol/g。

(2)pH 和離子強度影響小麥秸稈生物質炭對水中羅丹明B 的去除效果，pH = 9，離子強度為0.1 mol/L NaCl 時，去除效果最佳。

(3)淋濾實驗表明，小麥秸稈生物質炭對羅丹明B 染料廢水的去除效果較好，其應用前景廣泛。

［1］ 鄒海明，于群英，謝越，等.Fe/C 微電解深度處理綜合染料廢水［J］.工業水處理，2012，32(10):16-18.

［2］ 劉豪. 印染廢水處理技術研究綜述［J］. 環保科技，2014，20(2):44-48.

［3］ 盧婧，余志晟，張洪勛.染料微生物降解的方法研究進展［J］.工業水處理，2014，34(1):1-4.

［4］ 張文睿，王麗. 纖維素基納米復合材料對亞甲基藍的吸附劑解吸性能［J］.工業水處理，2014，34(5):45-49.

［5］ Lehmann J.Bio-energy in the black［J］.Frontiers in Ecology and the Environment，2007，5(7):381-387.

［6］ Spokas K A. Review of the stability of biochar in soils:predictability of O ∶C molar ratios［J］. Carbon Management，2010，1(2):289-303.

［7］ Beesley L，Moreno-Jiménez E，Gomez-Eyles J L，et al. A review of biochars’potential role in the remediation revegetation and restoration of contaminated soils［J］. Environmental Pollution，2011，159(12):3269-3282.

［8］ Ahmad M，Rajapaksha A U，Lim J E，et al. Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water:A review［J］.Chemosphere，2014，99:13-33.

［9］ 李冬，陳華軍.活性炭吸附水中羅丹明B 的研究［J］.陜西科技大學學報，2008，26(6):95-98.

［10］盧燕.活性炭吸附羅丹明B 的研究［J］.四川理工學院學報:自然科學版，2010，23(6):692-694.

［11］徐仁扣，趙安珍，肖雙成.農作物殘體制備的生物質炭對水中亞甲基藍的吸附作用［J］. 環境科學，2012，33(1):142-146.