秸稈材料對水溶液中亞甲基藍的吸附研究

高博強 卜丹丹 孫耀芳 楊雙紅 王晶 徐雪斌 丁竹紅

摘 要：該文研究花生殼、玉米芯、小麥桿秸稈吸附劑對于水溶液中亞甲基藍染料的吸附去除。結果表明，亞甲基藍初始濃度≤300mg/L時，花生殼對其去除率均能保持95%以上，吸附效果遠高于玉米芯、小麥桿秸稈；各材料的等溫吸附過程可以用Langmuire方程描述，吸附動力學過程符合二級動力學；3種材料對亞甲基藍的吸附隨其用量的增加而增加，且花生殼在相對較小的用量下（2 g/L）就能達到90%以上的去除率；3種材料的對亞甲基藍的吸附去除率隨pH上升而上升。

關鍵詞：花生殼 玉米芯 小麥桿 吸附 亞甲基藍

中圖分類號：X7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（a）-0037-04

Abstract：Peanut hull， corn cob and wheat straw were used to adsorb methylene blue from water solution. More than 95% of methylene bluewas removed by peanut hull when its initial concentration was below 300 mg/L， and the removal efficiencyof corn cob and wheat straw were much lower than that of peanut hull. The adsorption data can be well described by Langmuire equation. And the absorption kinetics was well fitted with pseudo-second order kinetic equation. The removal rate of methylene blue increased with the amount of absorbents used and 2 g/L peanut hull was used to gain removal rate of above 90% for methylene bluesolution. The removal rate of methylene blue also increased with the initial pH of the solution.

Key Words：Peanut hull；Corn cob；Wheat straw；Adsorption；Methylene blue

在可利用的生物質資源中，農作物秸稈（如稻殼、麥殼、花生殼、玉米芯等）占有較大比例。然而，真正形成工業規模的秸稈資源化利用技術不多。在我國大量的農作物秸稈也沒有得到充分的利用，尤其部分秸稈材料被通過焚燒處理，不僅浪費資源，還給大氣環境帶來嚴重污染。其解決的根本在于給秸稈找到合理的出路。當前水體污染問題突出，尋求高效、環保且成本低廉的水處理劑一直是水處理技術研究的重要課題[1]。秸稈的有機物的主要成分是纖維素類的碳水化合物，包括纖維素，半纖維素和木質素，其表面含有羥基等活性基團。研究表明，秸稈及其產品對無機陰離子[2-3]、重金屬離子[4]、染料[5-7]等均具有吸附作用，如Arami M等[8]將大豆殼用于直接染料和酸性染料的去除，Saeed A等[9]將柚子皮由于結晶紫的吸附，劉利娥等[10]將芝麻葉用于亞甲基藍的吸附。因此，將秸稈材料通過適當的處理，應用于廢水治理，一方面為秸稈的資源化利用找到新的出路，同時也可以為廢水污染處理劑的研制提供來源廣泛且價格低廉的原料，無疑具有廣闊的應用前景。

該研究將花生殼、玉米芯、小麥桿用氫氧化鈉溶液處理后作為吸附劑用于水中亞甲基藍染料的去除，研究亞甲基藍的初始濃度、反應時間、吸附劑用量以及體系初始pH等因素的影響，為高效、環保且成本低廉的水處理劑的研究及秸稈的合理資源化途徑的研究提供參考。

1 材料與方法（Materials and Methods）

1.1 實驗材料

秸稈材料收集自江蘇省本地，將其用剪刀剪至2～3 cm的小段，置于500 ml燒杯中，用去離子水清洗2～3遍后，轉移至烘箱55 ℃下干燥12 h。將烘干后的秸稈材料粉碎，過80目篩。取一定量過篩后的秸稈顆粒，加入洗凈的250 ml的錐形瓶中，按固液比為1∶10的比例加入15%的NaOH溶液。在室溫，功率為100 W的自動攪拌器下攪拌72 h。將反應完畢后的秸稈用去離子水清洗至中性，轉移至烘箱55 ℃下干燥12 h，得到堿處理后的秸稈材料。圖1為3種堿處理后的秸稈材料的紅外譜圖。圖中3 390 cm-1附近有強的O-H（醇類、酚類和羧酸）基團的伸縮振動吸收峰；2 920 cm-1附近為C-H鍵的伸縮振動吸收峰；1 640 cm-1、1 420 cm-1附近有離子化羧基（-COO-）的伸縮振動吸收峰；1 510 cm-1附近為芳香環的骨架C=C振動吸收峰；1 060 cm-1附近為纖維素和半纖維素中C-O的伸縮振動吸收峰[11]。

1.2 亞甲基藍吸附試驗

溶液初始濃度對吸附的影響。稱取秸稈材料0.100 g置于50 mL塑料離心管，加入25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L、500 mg/L、700 mg/L、1 000 mg/L亞甲基藍溶液各40 mL，室溫旋轉振蕩3 h，4 000 r/min離心10 min，取上清液，去離子水稀釋，在664 nm波長下測定吸光度。實驗重復兩次。

反應時間對吸附的影響。稱取秸稈材料0.100 g置于50 mL塑料離心管，加入40 mL 300 mg/L的亞甲基藍溶液，室溫旋轉振蕩2 min，4 min，6 min，10 min，15 min，20 min，30 min，40 min，60 min，90 min，120 min，180 min，240 min，300 min，4 000 r/min離心10 min，取上清液，去離子水稀釋，在664 nm波長下測定吸光度。實驗重復兩次。

秸稈投加量的影響。稱取秸稈材料0.040 g、0.050 g、0.080 g、0.1 00 g、0.200 g、0.400 g置于50 ml塑料離心管，加入40 mL300 mg/L亞甲基藍溶液室溫旋轉振蕩3 h，4 000 r/min離心10 min，取上清液，去離子水稀釋，在664 nm波長下測定吸光度。實驗重復2次。

溶液初始pH的影響。稱取秸稈材料0.100 g置于50 mL塑料離心管，加入pH分別為1.00、3.00、4.00、7.00、9.00、11.00的300 mg/L的亞甲基藍溶液40 mL，室溫旋轉振蕩3 h。4 000 r/min離心10 min，取上清液，去離子水稀釋，在664 nm波長下測定吸光度。實驗重復兩次。

2 結果與討論（Results and Discussion）

2.1 溶液初始濃度對吸附的影響

圖2顯示了不同初始濃度下3種材料對亞甲基藍的吸附去除情況。由圖可知，花生殼對亞甲基藍的去除率明顯高于玉米芯和小麥桿。3種材料對亞甲基藍的去除率均隨著溶液初始濃度的增加而降低。在整個實驗濃度范圍內，花生殼對亞甲基藍的去除率從99.6%降至40.5%，玉米芯對亞甲基藍的去除率從98.7%降至18.5%，而小麥桿對亞甲基藍的去除率從97.2%降至16.0%。對于花生殼而言，在亞甲基藍濃度≤300 mg/L時，花生殼對亞甲基藍的去除率隨亞甲基藍初始濃度增加而降低的趨勢較緩，且均大于95.0%；對于而玉米芯和小麥桿而言，在亞甲基藍初始濃度分別達到150 mg/L和100 mg/L時其吸附去除率就小于90%。盡管吸附材料對亞甲基藍的去除率隨著初始濃度的增加而降低，但吸附量的呈上升趨勢。花生殼的吸附實驗中，當亞甲基藍初始濃度達到500 mg/L之后，花生殼對亞甲基藍的吸附量趨于平穩；而玉米芯和小麥桿的吸附試驗中，在較低亞甲基藍初始濃度（300 mg/L）之后，兩者對亞甲基藍的吸附量沒有明顯增加。錢程等[12]采用小麥桿（K2CO3處理）在用量2 g/L、亞甲基藍溶液初始濃度100 mg/L的情況下去除率接近85%。該實驗中，亞甲基藍溶液初始濃度100 mg/L時（吸附劑用量2.5 g/L），小麥桿對其去除率為87.4%，吸附效果接近。對吸附數據采用Langmuire等溫吸附方程和Freundlich等溫吸附方程進行模擬，結果表明采用Langmuire方程能更好地擬合3種材料對亞甲基藍的吸附，其R2均大于0.99（圖2，表1）。

2.2 反應時間對吸附的影響

圖3顯示了不同反應時間下3種材料對亞甲基藍的吸附。在初始的30 min之內，3種材料對亞甲基藍的吸附量迅速增加，30 min后增加趨于平緩。60 min之后，花生殼對亞甲基藍的吸附去除率保持在92.6%～95.3%之間，玉米芯對亞甲基藍的吸附去除率保持在44.6%～61.9%之間，而小麥桿的吸附去除率保持在48.8%～55.9%之間。120 min之后，3種材料對亞甲基藍的吸附變化很小。吸附過程符合準二級動力學（表2）。準二級動力學模型假設吸附速率由吸附劑表面未被占有的吸附空位數目的平方值決定，吸附過程受化學吸附機理的控制。研究表明秸稈材料表面含有豐富的羥基等含氧基團，可以與離子作用而使之發生吸附。因此，化學吸附過程可能是亞甲基藍在3種材料表面吸附的主要機制。

2.3 秸稈投加量的影響

圖4顯示了3種材料的用量對去除率的影響。隨著吸附材料使用量的增加，亞甲基藍的去除率不斷增加。對于花生殼材料而言，其用量在1～2 g/L之間時，隨吸附材料用量的增加，亞甲基藍的吸附去除率迅速上升；使用量大于2 g/L之后，亞甲基藍吸附去除率增加緩慢，但已達到90%以上。玉米芯材料和小麥桿材料的使用量在小于5 g/L時，亞甲基藍的吸附去除率隨吸附材料用量的增加迅速上升；大于5 g/L后，增加減緩。在用量小于2.5 g/L時，花生殼材料對亞甲基藍的吸附去除率遠高于玉米芯材料和小麥桿材料；當使用量大于5 g/L之后，玉米芯材料和小麥桿材料對亞甲基藍的吸附去除率與花生殼材料的吸附去除率相差越來越小；當使用量達到10 g/L時，3種材料對亞甲基藍的吸附去除率均大于90%。

2.4 pH的影響

圖5顯示了不同pH條件下3種材料的對亞甲基藍的吸附去除率的影響。花生殼材料、玉米芯材料、小麥桿材料對亞甲基藍的吸附均隨溶液pH的上升而上升，在pH為11時對亞甲基藍的吸附去除率分別達到92.3%、66.1%和60.1%。因此，較高pH有利于3種材料對亞甲基藍的吸附。

3 結論（Results）

該實驗將花生殼、玉米芯和小麥桿粉碎后采用氫氧化鈉溶液處理并烘干，用于水溶液中亞甲基藍的吸附研究。結果表明如下所述。

（1）3種材料對溶液中的亞甲基藍的吸附去除率隨亞甲基藍的初始濃度的上升而下降。但亞甲基藍初始濃度的變化對3種材料的吸附去除率影響的程度明顯不同。對花生殼而言，在亞甲基藍初始濃度在小于等于300 mg/L時，其吸附去除率均能保持95%以上；而玉米芯和小麥桿在亞甲基藍初始濃度分別達到150 mg/L和100 mg/L時其吸附去除率就小于90%。

（2）3種材料對亞甲基藍的吸附在初始的30 min之內迅速增加，到120 min之后，吸附變化很小。吸附過程符合二級動力學。

（3）3種材料對亞甲基藍的吸附隨其用量的增加而增加，但花生殼在較小用量下（2 g/L）就能達到90%以上的去除率，而玉米芯和小麥桿分別在5 g/L和10 g/L之后才達到90%以上的去除率。

（4）pH影響3種材料的對亞甲基藍的吸附去除率，隨pH上升，亞甲基藍的吸附去除率上升。

因此，花生殼作為常見的農業廢棄物應用于廢水中亞甲基藍染料的去除有較大潛力；而玉米芯和小麥桿在一定的應用條件下也可以較好地去除廢水中亞甲基藍染料。

參考文獻

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