納米氧化鋅對有機染料廢水的吸附研究

劉興強　王西霞

摘 要：采用醋酸鋅和過氧化鈉為原料常溫下一步法制取納米氧化鋅。研究了納米氧化鋅對有機染料模擬廢水活性艷紅溶液的吸附行為。主要研究了吸附時間、溫度、溶液pH 值對吸附效果的影響。實驗結果表明：當吸附時間為120 min 、溫度為60℃、溶液pH 值為5時，納米氧化鋅對活性艷紅溶液的吸附效果達到了93.9% 。

關鍵詞：納米；納米氧化鋅；吸附；有機染料廢水

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.245

0 引言

近年來，由于工業的快速發展與社會生活水平的不斷提高，使得工業廢水、生活污水、農田灌溉用水等大量排放，從而導致了江河湖泊等水資源污染日益嚴重，且給人類健康帶來了巨大的潛在危害[1]。因此研發新材料來吸附與降解有機染料廢水已成為迫在眉睫的研究任務。目前，納米材料因其獨特的物理化學性質受到廣泛重視并應用于各個領域。納米氧化鋅是一種多功能性的新型無機材料，由于晶粒的細微化，其表面電子結構和晶體結構發生變化，產生了宏觀物體所不具有的表面效應[2]、體積效應、量子尺寸效應[3]和宏觀隧道效應[4]以及高分散性等特點[5]。納米氧化鋅作為一種新型材料不僅應用于常規的水處理中，還應用于城市、工業等污水的處理。傳統的水處理方法存在著處理效率低、成本高的特點，而納米氧化鋅為尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當大的比例，且隨著粒徑的減小表面原子數迅速增加，原子配位不足加上高的表面能，使這些表面原子具有很高的活性，極不穩定，很容易與其他原子結合，因此，納米氧化鋅具有很強的吸附能力，在污水的處理中起著非常重要的作用。

1 主要實驗儀器試劑

1.1 實驗儀器

DGG-9023A電熱恒溫鼓風干燥箱、SHB-III循環水式多用真空泵、THZ-312臺式恒溫振蕩器、TDL80-2B臺式離心機、PB-10酸度計、TE124電子天平、ZWKJ-02紫外可見分光光度計。

1.2 主要試劑

醋酸鋅、過氧化鈉、活性艷紅等。

2 實驗部分

2.1 納米氧化鋅的制備

將醋酸鋅和過氧化鈉按物質的量的比例為1： 3.3 進行稱取[6]，并將其在一定蒸餾水中混合，放在溫度為25℃的磁力攪拌器上攪拌5 h 。待攪拌完成后將攪拌液用真空抽濾進行過濾，用超純水洗3次，將固體粉末放在60℃的烘箱內烘烤12 h 。

2.2 實驗方法

向容量為50 mL的燒杯中加入初始濃度為C0的活性艷紅廢水50 mL，用0.01 mol/L的NaOH或HCL調節溶液的pH，加入質量為0.1 g的納米氧化鋅，在頻率為150 r/min一定溫度下的水浴中振蕩吸附，振蕩后放入離心機中進行離心分離，取出離心液在活性艷紅的最大吸收波長處538 nm處測定其吸光度，通過吸光度計算出活性艷紅的濃度C，通過下式計算出吸附率（%）。吸附率（%）=（C0 - C1）/C0 ×100%

3 結果與討論

3.1 吸附時間的影響

取模擬廢水濃度為10 mg/L的活性艷紅溶液50 mL，向廢水中加入納米氧化鋅0.1g，在25℃下磁力攪拌，分別于5 min，10 min，20 min，40 min，60 min，90 min，120 min，150 min取樣進行分析，考察反應時間對其吸附率的影響，如圖1所示。從圖 1 中可以看出，活性艷紅去除率隨著振蕩時間的不同而不同。活性艷紅溶液去除率從0 min 到 120 min 隨著時間的增加去除率也隨之增加。但從120 min到150 min中，由于時間的增加，質量濃度逐漸減小，使活性艷紅溶液去除率隨著時間的增加而減少。而且，120 min時的去除率與150 min 時的去除率只差0.001，因此，可以得出當振蕩時間為120 min 時，活性艷紅溶液去除率可以達到最佳。

3.2 溫度的影響

取模擬廢水濃度為10 mg/L的活性艷紅溶液50 mL，向廢水中加入納米氧化鋅0.1g，溫度分別取15℃ ，30℃ ，50℃ ，60℃ ，75℃ ，90℃ 情況下震蕩2 h 。考察溫度對活性艷紅的去除率的影響，結果如圖2 所示。由圖 2可以看出，從15℃增加到60℃ 的過程中去除率呈現逐漸上升趨勢，這是因為隨著溫度的升高，使得溶液中分子、離子的運動速度加快，加速了納米氧化鋅與活性艷紅溶液中分子的接觸吸附。但當溫度從60℃ 到 90℃ 的增加的過程中，溶液中的分子、離子運動速度越來越快，使原本本吸附的活性艷紅分子發生解吸附，從而使得對活性艷紅的去除率降低[7]。因此，在處理 50 m L 、濃度 10 mg/L 的活性艷紅溶液時，最佳的振蕩溫度為60℃ 。

3.3 pH值的影響

取模擬廢水濃度為10 mg/L的活性艷紅溶液50 mL，向廢水中加入納米氧化鋅0.1g，調節pH分別為2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 ，溫度為60℃情況下震蕩2 h，考察不同的pH值對活性艷紅廢水去除率的影響，結果如圖3 所示。

從圖 3 可知活性艷紅處于酸性條件下脫色較快，當pH 達到5 時，其脫色率最快。隨著pH 值的升高，活性艷紅溶液去除率呈下降趨勢。原因是脫色率與不同pH 值下活性艷紅在水溶液中的解離性有關。在不同狀態下，活性艷紅會表現出不同的反應特點。在酸性條件下，活性艷紅結構中的磺酸基獲得質子后，染料的疏水性增大，使染料分子更容易擴散到氣液界面上，增強了染料分子的活性，提高了吸附效率。而在堿性較高的條件下，?OH失去質子，染料分子以鹽的形式存在，親水性增強，揮發度降低，使氣液界面處的染料分子質量濃度較低，致使吸附率下降。

4 結論

本研究通過常溫下一步法制備的納米氧化鋅對模擬廢水中活性艷紅吸附效果進行了研究，與傳統的去除方法相比較，具有成本低、吸附率高、經濟、污染少、結果較準確等特點。實驗結果表明納米氧化鋅對活性艷紅具有較好的吸附效果，在吸附時間為2 h，最佳吸附溫度為60℃，pH為5時，納米氧化鋅對濃度為10mg/L的50 mL活性艷紅的吸附率達到93.9% 。

參考文獻：

[1]姜虎生，吳南.納米氧化鋅對廢水中Cu2+、Cd2+吸附性能研究[J].長春理工大學學報，2008，31（01）：139-141.

[2]王孝華，聶明.納米氧化鋅制備的新進展[J].化工新型材料，2011，39（03）：16-18.

[3]Cavicchi P E，Silsbee R H. Coulomb Suppression of Tunneling Rate from Small Metal Particles[J]. Phys.Rev.Lett，1984，52（16）：1453-1456.

[4]Prashant V K， Nada M D.Colloidal semiconductors as photocatalysts for solar energy conversion[J].Solar Energy， 1990，44（02）：83-98.

[5]辛顯雙，周百斌，肖芝燕等.納米氧化鋅的研究進展[J].化學研究與應用，2003（15）：603-605.

[6]Seungho Cho ，Ji-Wook Jang，Jungwon Kim.Three-Dimensional Type II ZnO/ZnSe Heterostructures and Their Visible Light Photocatalytic Activities[J].Langmuir 2011： 27（16）：10243-10250.

[7]陳穎，黃升謀.鋸末半焦對亞甲基藍的吸附性研究[J].湖北文理學院學報，2012，33（08）：43-46.

基金項目： 漳州自然科學基金（ZZ2013J18），福建省自然科學基金面上項目 （2015J01062） ； 福建省教育廳科技研究A 類科技項目（JA13354），福建省高等學校新世紀優秀人才支持計劃。

作者簡介： 劉興強（1975-） ，男，湖南武岡人，博士，副教授，研究方向： 水處理技術。