薰衣草葉對染料廢水中亞甲基藍(lán)的吸附特性

李紫薇++李小敏++劉偉++葛歡歡++張彤彤

摘要：對薰衣草葉去除水中亞甲基藍(lán)的可能性及其影響因素進(jìn)行了研究，同時研究了其吸附性能和吸附機(jī)制?？疾炝宿挂虏萑~粉末添加量、pH值范圍、吸附溫度、時間對薰衣草葉粉末去除亞甲基藍(lán)的影響作用；用等溫方程和吸附動力學(xué)方程分別探討了薰衣草葉粉末去除亞甲基藍(lán)的行為；采用紅外技術(shù)對吸附前后的薰衣草葉粉末進(jìn)行表征。結(jié)果表明，在中性或弱堿性條件下，投加0.060 g薰衣草葉粉末，溫度為35 ℃時振蕩120 min，薰衣草葉粉末對50 mL初始質(zhì)量濃度150 mg/L的亞甲基藍(lán)吸附量可以達(dá)到106 mg/g。Langmuir等溫吸附方程能較好地描述薰衣草葉粉末對亞甲基藍(lán)的吸附特性，吸附動力學(xué)符合擬2級速率方程。紅外光譜提示，吸附過程中，O—H、C—O與亞甲基藍(lán)吸附發(fā)揮了重要作用。薰衣草葉能夠有效去除溶液中的亞甲基藍(lán)。

關(guān)鍵詞：薰衣草葉；亞甲基藍(lán)；吸附；吸附動力學(xué)；吸附等溫線

中圖分類號： TQ424.3；X703.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）09-0239-03

隨著我國染料和印染工業(yè)的迅速發(fā)展，大量的染料廢水被排入水體，對水環(huán)境安全造成了嚴(yán)重危害，同時也加劇了我國水資源形勢的日益緊張。染料廢水成分復(fù)雜、有機(jī)物濃度高、色度高，且難以生物降解。目前，廢水處理后回用率僅在10%左右[1]。因此，開展廢水深度處理的有關(guān)研究對保護(hù)水體環(huán)境和緩解水資源形勢十分必要。近年來，關(guān)于印染廢水深度處理及回用的研究越來越多，其中吸附法是利用多孔性固體物質(zhì)的吸附能力將污水中的一種或多種物質(zhì)去除的方法。由于吸附法不會引入新的污染物，能耗低且能從廢水中吸附分離有機(jī)污染物，因而受到廣泛關(guān)注。生物質(zhì)材料來源廣，價格低廉。已有研究報道用棉花秸稈、花生殼、麥秸稈、棉花、甘蔗渣和香蕉皮等作為生物質(zhì)吸附材料吸附染料[2-3]。薰衣草葉中含有羥基、亞甲基、氨基、酰胺基等多種有機(jī)基團(tuán)，是一種良好生物吸附材料。目前，用薰衣草葉作為吸附材料去除水溶液中亞甲基藍(lán)的研究尚未見報道。本研究以薰衣草葉粉末為固體吸附劑，研究其處理染料廢水中亞甲基藍(lán)的吸附效果，旨在為薰衣草在染料污水治理方面的應(yīng)用提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1儀器與材料

儀器：FT-IR Prestige-21傅里葉變換紅外光譜儀，UV-2500 紫外可見分光光度計，SHZ-82型水浴恒溫振蕩器。

材料：亞甲基藍(lán)、鹽酸、氫氧化鈉，均為分析純。

薰衣草葉干粉吸附劑：薰衣草產(chǎn)自伊犁。將薰衣草葉洗凈，在45 ℃的烘箱中烘干，粉碎，過篩，收集40～60目的顆粒備用。試驗用水為去離子水。

1.2亞甲基藍(lán)染料廢水的配制

稱取一定質(zhì)量干燥的亞甲基藍(lán)溶于去離子水中，配制亞甲基藍(lán)儲備液。吸附試驗所需不同濃度的溶液均由儲備液稀釋得到。

1.3試驗方法

1.3.1繪制亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線

準(zhǔn)確移取2.00 mL 5 g/L亞甲基藍(lán)儲備液至500 mL容量瓶中，用去離子水定容，得 20.00 mg/L 亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別移取一定體積該標(biāo)準(zhǔn)溶液至10 mL比色管中，用去離子水定容，配制亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度為0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0 mg/L系列濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液。以去離子水為參比，在最大吸收波長664 nm處測定不同濃度（C）亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度（D），繪制亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線。亞甲基藍(lán)0.5～12.0 mg/L濃度范圍內(nèi)，線性關(guān)系良好，線性方程：D=0.177 68C+0.033 26，r=0999 4。

1.3.2吸附試驗

取50.00 mL一定含量的亞甲基藍(lán)水溶液置于100 mL錐形瓶中，加入一定質(zhì)量的薰衣草葉干粉吸附劑，振蕩頻率120 r/min，在水浴恒溫振蕩器中振蕩2 h后，離心分離，取上清液，在664 nm處測吸光度，由標(biāo)準(zhǔn)曲線法得溶液中亞甲基藍(lán)殘余濃度。若亞甲基藍(lán)殘余濃度較大則需定量稀釋后測吸光度，由線性方程計算濃度乘以稀釋倍數(shù)后得吸附后的平衡濃度Ce。平行試驗3次，吸附劑的平衡吸附量Q和亞甲基藍(lán)去除百分率E分別用公式（1）和公式（2）來計算：

式中：C0和Ce分別為亞甲基藍(lán)染料的初始和吸附平衡時質(zhì)量濃度（mg/L）；V為溶液體積；m為吸附劑質(zhì)量。

2結(jié)果與分析

2.1薰衣草吸附劑投加量對亞甲基藍(lán)吸附的影響

將50.00 mL初始質(zhì)量濃度150 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液分別置于裝有不同吸附劑量（0.005、0.010、0.020、0.040、0.060、0.080、0.100、0.120、0.140、0.160 g）的100 mL錐形瓶中，吸附溫度為25 ℃，振蕩2 h，考察吸附劑投加量對亞甲基藍(lán)吸附的影響。吸附劑的投加量越少，單位質(zhì)量吸附劑所包圍的亞甲基藍(lán)分子就越多，吸附傳質(zhì)動力越大，亞甲基藍(lán)分子容易與吸附材料結(jié)合，平衡吸附量越高[4]。吸附劑投加量由0.010 g增大至0.060 g，亞甲基藍(lán)去除率從24.95%迅速提高到84.70%，之后繼續(xù)增加吸附劑投加量，去除率提高緩慢并趨于吸附平衡，吸附劑投加量為0.14 g時去除率為91.95%（圖1）。綜合考慮薰衣草吸附量和亞甲基藍(lán)水溶液去除率，選擇吸附劑投入量為 0.06 g 為宜。

2.2溶液pH值對亞甲基藍(lán)吸附的影響

用0.01、0.10 mol/L HCl和0.01、0.10 mol/L NaOH來調(diào)節(jié)亞甲基藍(lán)水溶液酸度。初始質(zhì)量濃度為150 mg/L亞甲基藍(lán)水溶液各50.00 mL，pH值分別為0.92、1.93、3.12、3.95、4.96、5.96、6.93、8.02、8.94、9.96、10.95，吸附劑投放量為 0.060 g，吸附溫度為25 ℃，按照“1.3.2”節(jié)吸附試驗方法，考察pH值對亞甲基藍(lán)吸附的影響。從圖2可以看出，隨pH值的增大吸附量逐步增加，pH值在5～11時，吸附量變化不顯著，說明靜電作用不是控制吸附的唯一因素[5]。在pH值較低時，氫離子占據(jù)了吸附劑表面的活性電位，阻礙了吸附劑與染料分子的結(jié)合，吸附劑對亞甲基藍(lán)水溶液的吸附量較低。隨著pH值增大，吸附劑表面荷負(fù)電荷，為吸附亞甲基藍(lán)提供了眾多的帶電吸附點位，因此吸附劑對亞甲基藍(lán)的吸附量也隨之增大。試驗結(jié)果表明薰衣草葉吸附亞甲基藍(lán)適合在中性和弱堿性條件下進(jìn)行[6]。

2.3振蕩時間對亞甲基藍(lán)吸附的影響

稱取8份質(zhì)量為0.060 g薰衣草葉干粉，分別置于8個100 mL錐形瓶中，錐形瓶中加入150 mg/L亞甲基藍(lán)水溶液各50 mL，pH值為6.5。吸附時間分別為5、10、20、40、60、90、120、150、180、240 min，按照“1.3.2”節(jié)吸附試驗方法，考察振蕩時間對亞甲基藍(lán)吸附的影響。從圖3可以看出，吸附量隨時間的變化曲線大致可分為3個階段，60 min之前為快速吸附階段，60～120 min為慢速吸附階段；此后，隨著接觸時間的增加吸附量無明顯變化。吸附平衡后，最大吸附量達(dá)到 106 mg/g。

2.4溫度對亞甲基藍(lán)吸附的影響

稱取質(zhì)量為0.060 g薰衣草葉干粉吸附劑分別置于6只100 mL錐形瓶中，錐形瓶中加入150 mg/L亞甲基藍(lán)水溶液各50 mL，吸附溫度分別為15、25、30、35、40、45 ℃。按照吸附試驗方法考察溫度對亞甲基藍(lán)吸附的影響。從圖4可以看出，在相同條件下，隨著溫度的升高，亞甲基藍(lán)水溶液在吸附劑上的吸附量緩慢增加，這是由于高溫加強了亞甲基藍(lán)水溶液中離子與吸附劑之間的作用力[7]。在溫度為35 ℃的環(huán)境下亞甲基藍(lán)水溶液在薰衣草上的吸附效果最好。

2.5吸附動力學(xué)研究

試驗采用擬一級和擬二級動力學(xué)模型對薰衣草干粉吸附劑靜態(tài)吸附的動力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，參考文獻(xiàn)[6]方法分別由lg（Qe-Qt）和t/Qt分別對t作圖。從圖5可以看出，從計算的r2值可知，吸附劑對亞甲基藍(lán)的吸附符合擬二級動力學(xué)模型，計算獲得最大理論吸附量Qe，cal值等于108.34 mg/g，與試驗所得平衡吸附量Qe，exp值106 mg/g較吻合，該吸附過程遵循擬二級動力學(xué)模型為化學(xué)反應(yīng)控制。

2.6吸附等溫線的擬合

薰衣草干粉吸附劑投加量為0.060 g，亞甲基藍(lán)溶液初始質(zhì)量濃度分別為100.0、120.0、150.0、200.0、250.0、300.0 mg/L 時，按照“1.3.2”節(jié)吸附試驗方法，考察染料初始濃度對吸附效果的影響，從圖6可以看出，隨著亞甲基藍(lán)濃度的增加，吸附劑對亞甲基藍(lán)的吸附量也逐漸增加。采用Langmuir和Freundlich等溫吸附方程擬合靜態(tài)吸附試驗數(shù)據(jù)[8]，結(jié)果見圖7。

根據(jù)r2數(shù)值，薰衣草葉干粉吸附劑對亞甲基藍(lán)的吸附等溫線與Langmuir方程能較好地吻合，表明吸附劑對亞甲基藍(lán)的吸附主要以單分子的形式吸附在其表面。根據(jù)Langmuir方程計算得到理論最大吸附量為203.25 mg/g。

2.7紅外光譜分析

將吸附前后的薰衣草葉干粉與溴酸鉀混合，研磨均勻后壓片，測定0～4 000 cm-1官能團(tuán)特征。從圖8可以看出，3 100～3 700 cm-1處出現(xiàn)酚羥基、醇羥基或羧羥基的伸縮振動寬峰，2 926、2 856 cm-1處分別為CH2的不對稱和對稱 C—H 伸縮振動峰，1 732、1 635 cm-1分別是羰基的伸縮振動峰，1 049 cm-1 是C—O伸縮振動峰[9-11]。薰衣草葉干粉吸附亞甲基藍(lán)前后紅外光譜的譜線有明顯變化，尤其是O—H、C[FY=，1]O、C—O伸縮振動峰改變明顯。

3結(jié)論

通過試驗，可得以下結(jié)論。薰衣草葉干粉吸附劑對亞甲基藍(lán)有很好的吸附效果。紅外光譜分析顯示，吸附材料表面有較多的含氧基團(tuán)，如O—H、C—O等在吸附過程中發(fā)揮著重要作用。中性和弱堿性條件下有利于吸附，過高濃度的[H+]與亞甲基藍(lán)陽離子競爭吸附而導(dǎo)致吸附量較低[3]。50 mL 初始質(zhì)量濃度為150 mg/L亞甲基藍(lán)溶液，加入粒徑 40～60目薰衣草葉吸附劑0.060 g，溫度為35 ℃時振蕩120 min，最大吸附量達(dá)到106 mg/g。薰衣草葉干粉對亞甲基藍(lán)的吸附動力學(xué)符合擬二級動力學(xué)，吸附等溫線與Langmuir方程能較好地吻合。薰衣草葉干粉對亞甲基藍(lán)的吸附主要以單分子的形式吸附在其表面。根據(jù)Langmuir方程計算得到理論最大吸附量為203.25 mg/g。

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