活性炭的制備及吸附甲基橙的研究

摘 要：制備了玉米秸稈基活性炭，探討了活性炭與超聲技術對模擬甲基橙工業廢水中甲基橙吸附效果，在實驗條件下，考察了活性炭用量、體系溫度、超聲吸附時間、超聲功率等因素對吸附效果的影響。結果表明：對于50mg/L的甲基橙溶液，體系溫度為50℃左右，活性炭加入量約為200g（活性炭）/g（甲基橙），超聲功率為80W下超聲吸附20min時吸附率較高。

關鍵詞：活性炭；超聲；甲基橙；吸附率

活性炭因其優異的吸附性能而在現代城市生活污水和工業廢水，特別是其中的有機物治理中表現良好的優越性。超聲波技術是一種利用自身特點即超聲波的空化作用來實現水中污染物特別是有機污染物的降解，是目前大力發展環境治理中水污染處理的重要手段之一，成為了近年來的應用研究熱點[1～3]。本研究擬將活性炭吸附性能和超聲波降解技術融合在一起，探討其應用前景，用玉米秸稈為原料自制活性炭，并同時借助超聲技術，研究探討了自制活性炭在超聲條件下超聲功率、吸附劑用量、吸附時間、吸附溫度、初始濃度等因素對自制模擬甲基橙廢水中甲基橙的吸附及降解作用。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器

玉米秸稈（湖北荊州）；氯化鋅、磷酸、鹽酸、甲基橙均為分析純。電子分析天平，722N型可見分光光度計，電熱恒溫干燥箱，數控超聲波發生器（最大功率160W），真空抽濾機。

1.2 活性炭的制備

將玉米秸稈置于2mol/L的磷酸溶液中煮沸3h，再用濃度為30%的氯化鋅活化劑溶液中浸泡活化10h，取出烘干至恒重。將處理后的玉米秸稈置于管式電阻爐中，在N2保護下升溫至450℃并保溫2h，在自然條件下降溫至室溫后取出置入盛有10%（wt）鹽酸的燒杯中浸泡，然后用蒸餾水反復洗滌至中性。最后將其置于120℃恒溫干燥箱內干燥12h，經粉碎研磨，即得到玉米秸稈活性炭產品。

1.3 甲基橙的檢測

通過分析甲基橙標準樣品獲知甲基橙最大吸收波長為505nm。甲基橙含量通過可見分光光度計在該波長下測量自制甲基橙廢水在處理前后吸光度，由朗伯比爾定律可得總體吸附率為：（A1-A2）/A1×100%，其中：A1為處理前自制廢水吸光度值，A2為處理后自制廢水吸光值。

2 結果與討論

研究中通過空白對照實驗發現超聲技術與活性炭對甲基橙的吸附有較強的協調效應，單獨通過超聲或活性炭對甲基橙的吸附要遠遠低于二者共同作用。研究還通過單因素實驗，探討了吸附劑用量、吸附時間、超聲功率、吸附溫度等因素在實驗條件下對自制廢水中甲基橙吸附的影響。

2.1 吸附劑用量對吸附效果的影響

取濃度為50mg/L的甲基橙溶液50mL，恒溫30℃，超聲功率及吸附時間分別為100W和15min，活性炭用量對吸附效果影響如圖1所示。可以看出，在活性炭用量為0.5g之前，活性炭用量越大，甲基橙的吸附率越高。當用量達到0.5g甚至更多時，吸附率基本不再變化，吸附基本達到平衡。因此在實驗條件下最佳自制活性炭的用量為200g（活性炭）/g（甲基橙），過多加入不會增大吸附率且會造成一定程度的浪費。

2.2 超聲時間對吸附效果的影響

取活性炭0.45g加入濃度為50mg/L的50mL甲基橙溶液中，恒溫30℃，置于超聲功率為100W超聲發生器中進行吸附。超聲吸附時間對吸附率的影響如圖2所示。從圖2知，當超聲吸附時間達20min時，活性炭對廢水中甲基橙吸附基本達到平衡，對比在沒有超聲作用下的吸附率發現，超聲作用大大的提高的吸附的速率，同時因其空化作用促進了甲基橙的降解。實驗條件下最佳吸附時間為20min。

2.3 超聲功率對吸附效果的影響

分別取活性炭0.45g加入濃度為50mg/L的50mL甲基橙溶液中，恒溫30℃，在一定超聲功率下超聲吸附20min，超聲功率對吸附率的影響如圖3所示。從圖3可知，超聲對于活性炭吸附能力有明顯的增強作用。這是因為在體系中加入超聲作用，加快了廢水溶液中甲基橙分子的運動活性，提高了其接觸活性炭的幾率，使得甲基橙更容易被吸附；當超聲功率進一步增大時，超聲作用產生的羥基自由基的強氧化能力可能會使得被吸附的甲基橙分子發生降解，從一定程度上提高了活性炭的吸附能力；超聲功率的進一步增大反而會使得吸附率減弱，這是因為過強的超聲作用使得吸附的甲基橙在空化作用下發生了脫吸。實驗條件下最適合超聲功率為80W。

2.4 溫度對吸附效果的影響

分別取活性炭0.45g加入濃度為50mg/L的50mL甲基橙溶液中，控制超聲功率為80W，吸附20min，體系溫度對甲基橙吸附率的影響如圖4所示。從圖4可以看出，低于50℃時，溫度的升高能夠促進超聲條件下的吸附，這是因為在溫度不太高的情況下，溫度的升高加強了分子運動，使得甲基橙與活性炭接觸概率增大；而溫度進一步升高時，吸附率基本不變，吸附率基本趨于穩定，這是因為溫度的升高將使得導致活性炭對甲基橙的脫吸速率大于吸附速率，與此同時，超聲的空化作用的增強將會促進被吸附的甲基橙分子降解，在一定程度上增大吸附速率，這樣使得總體吸附于脫吸基本平衡。

3 結束語

研究表明，自制玉米秸稈活性炭對甲基橙具有較好的吸附能力，超聲的空化作用對甲基橙的吸附有較大的促進作用，兩者結合存在較強的協調效應。對于50mg/L的模擬甲基橙廢水最佳工藝條件為：體系溫度為50℃左右，活性炭加入量約為200g（活性炭）/g（甲基橙），超聲功率為80W下超聲吸附20min。

參考文獻

[1]閔恩澤，吳巍.綠色化學與化工[M].北京：化學工業出版社，2000.

[2]鄭文軒.超聲與活性炭降解甲基橙溶液的研究[J].安徽農業科學，2010，38（36）：20533.

[3]張建梅.負載納米TiO2活性炭催化降解甲基橙的實驗探究[J].通化師范學院學報，2010，31（10）：29～31.