離子交換樹脂D001對羅丹明B的吸附特性

劉保鋒，洪 軍，王 麗，童 晨

（中國地質大學 環境學院納米礦物材料及應用教育部工程研究中心，湖北 武漢 430074）

離子交換樹脂D001對羅丹明B的吸附特性

劉保鋒，洪 軍，王 麗，童 晨

（中國地質大學 環境學院納米礦物材料及應用教育部工程研究中心，湖北 武漢 430074）

采用強酸性陽離子交換樹脂D001作為吸附劑吸附脫除水溶液中的羅丹明B（RhB）。SEM和FTIR表征結果顯示：D001樹脂表面存在孔隙，可增加樹脂的比表面積；樹脂表面的磺酸基團可通過與陽離子染料RhB絡合而將其吸附。實驗結果表明：Langmuir等溫吸附模型能更好地描述樹脂對RhB的吸附規律，升高溫度有利于樹脂吸附RhB；吸附過程符合Lagergren準一級動力學方程，初始RhB質量濃度為20 mg/L時吸附活化能為7.06 kJ/mol；樹脂對RhB的吸附是一個自發的、吸熱的、熵推動的過程；顆粒擴散為吸附過程的控制步驟；樹脂具有良好的重復使用性能。

陽離子交換樹脂；羅丹明B；吸附熱力學；吸附動力學

羅丹明B（RhB）是一種堿性染料，廣泛應用于印刷、紡織、化妝品、食品等行業。RhB是難生物降解的有機物，且具有潛在的毒性、致突變性和致癌性，對水質和水中動植物產生的危害較大［1-3］。

離子交換樹脂物理化學性質穩定，具有比表面積大、機械強度高、易再生等優點，可于水溶液中富集和分離有機物，因此被廣泛用于染料廢水處理［4］。其中，D001樹脂是在大孔結構的苯乙烯-二乙烯苯共聚體的基礎上通過連接磺酸基（—SO3H）制備而成的。該樹脂穩定性高，具有較大的比表面積，是較為理想的吸附劑。但采用D001樹脂吸附染料的研究較少，且相關吸附特性的研究也不夠深入，不能很好的闡述吸附過程及機理。

本工作采用強酸性陽離子交換樹脂D001作為吸附劑吸附脫除水溶液中的RhB，利用SEM和FTIR技術對樹脂進行了表征，研究了D001樹脂吸附RhB過程的吸附動力學、熱力學和機理，以期為固液吸附研究和染料廢水處理提供理論支持。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

RhB、NaOH、鹽酸：分析純；實驗用水均為二次蒸餾水。

D001樹脂：購于浙江爭光實業股份有限公司，強酸性陽離子交換樹脂，其結構式見圖1。

圖1 D001樹脂的結構式

UV2800型紫外-可見分光光度計：尤尼克（上海）儀器有限公司；HH-S型水浴鍋：鞏義市予華儀器有限責任公司；RS-8801型空氣泵：中山市日勝電器制品有限公司；DHG-9101-2SA型烘箱：上海三發科學儀器有限公司；SI-234型電子天平：丹佛儀器（北京）有限公司；Quanta 450 FEG型場發射環境掃描電子顯微鏡：美國FEI公司；Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀：美國賽默飛世爾有限公司。

1.2 樹脂的預處理

分別用1 mol/L的鹽酸和NaOH溶液浸泡樹脂24 h，再用蒸餾水清洗至中性。重復上述操作一次，以保證樹脂中的雜質被交換出來。最后，置于50℃烘箱中烘干24 h，密封避光保存。

1.3 實驗方法

吸附實驗：配制5，10，15，20，25 mg/L的RhB溶液，分別移取200 mL于250 mL錐形瓶中，加入0.01 g預處理好的樹脂。將錐形瓶置于25 ℃水浴鍋中曝氣攪拌，吸附72 h。其他條件不變，分別在35，45，55 ℃下進行上述實驗。每隔一段時間取樣，離心后取上清液待測。

重復使用實驗：移取200 mL 5 mg/L的RhB溶液于250 mL錐形瓶中，加入0.01 g預處理好的樹脂，在25 ℃水浴鍋中曝氣攪拌24 h。將樹脂分離出來，分別用酸、堿清洗后干燥，再投入到新的溶液體系中進行吸附。

1.4 分析方法

采用紫外-可見光分光光度計在波長554 nm處測定水樣的吸光度值，由工作曲線得到RhB的質量濃度，進而計算出樹脂對RhB的吸附量。

分別采用SEM和FTIR技術對預處理后的樹脂進行微觀形貌觀察和官能團分析。

2 結果與討論

2.1 樹脂的表征結果

2.1.1 SEM照片

D001樹脂的SEM照片見圖2。由圖2可見，樹脂表面存在許多小孔，這些孔隙的存在增加了樹脂的比表面積，有利于RhB的吸附。

圖2 D001樹脂的SEM照片

2.1.2 FTIR譜圖

試樣的FTIR譜圖見圖3。

圖3 試樣的FTIR譜圖

由圖3a可見，3 443 cm-1處的吸收峰歸屬于羥基的伸縮振動［5］；1 644，1 497，1 453，1 414 cm-1處的吸收峰是苯環的特征峰［6］；1 183 cm-1和1 040 cm-1處的吸收峰分別歸屬于磺酸基團的非對稱和對稱伸縮振動［7］。由圖3b可見，1 613，1 426，1 109 cm-1處的吸收峰分別歸屬于RhB分子苯環骨架、C—CH3和Ar—N鍵的伸縮振動［8］。由圖3c可見，樹脂吸附后出現RhB的特征吸收峰，且吸附前1 183 cm-1處的峰吸附后分裂成1 217 cm-1和1 163 cm-1處的兩個峰，這是因為RhB陽離子與樹脂上的磺酸基團發生了反應，導致S=O的振動吸收峰分裂，這說明RhB可通過與磺酸基團絡合而負載到樹脂表面上。此外，因羅丹明B具有一定的疏水性，故分子間的范德瓦耳斯力和疏水作用對樹脂吸附羅丹明B也有一定的貢獻。

2.2 吸附等溫線

D001樹脂對RhB的吸附等溫線見圖4。

圖4 D001樹脂對RhB的吸附等溫線

由圖4可見：在同一溫度下隨著RhB質量濃度的增加，樹脂對RhB的平衡吸附量也逐漸增加，但最終平衡吸附量會趨于平穩甚至有所降低，說明樹脂吸附RhB已經達到飽和；溫度升高時，樹脂對RhB的平衡吸附量也逐漸升高，尤其是在溫度為55℃時，平衡吸附量增加得更為明顯，說明升高溫度有助于樹脂吸附RhB；55 ℃時吸附曲線出現陡然上升可能是在高濃度染料條件下，吸附過程的傳質動力得到了極大的提高，使得RhB向樹脂內部孔隙不斷擴散并與其內部吸附位點結合，從而極大的增加了樹脂的平衡吸附量；在RhB濃度過高時，55 ℃吸附曲線陡然下降可能是因為隨著吸附進行，溶液中的水分逐漸蒸發，使得吸附平衡時染料濃度上升更多所致。

分別采用Langmuir和Freundlich等溫吸附模型（分別見式（1）和式（2））［9］對圖4的實驗數據進行擬合，擬合結果見表1。由表1可見：在同條件下，Langmuir等溫吸附方程的R2比Freundlich等溫吸附方程的更高，說明Langmuir等溫吸附方程更能反應樹脂對RhB的吸附過程，由此推測RhB是呈單分子層狀態吸附于樹脂表面；KL和樹脂的飽和吸附量均隨溫度的升高而增大，說明溫度升高有利于樹脂吸附RhB。

式中：ρe為吸附平衡時的RhB質量濃度，mg/L；qe為平衡吸附量，mg/g；qsat為飽和吸附量，mg/g；KL為Langmuir吸附常數，L/mg；n和KF為Freundlich吸附常數。

表1 等溫吸附方程的擬合結果

2.3 吸附動力學

在初始RhB質量濃度為20 mg/L時，D001樹脂吸附量隨吸附時間的變化見圖5。

圖5 D001樹脂吸附量隨吸附時間的變化

由圖5可見：不同溫度下吸附72 h時，吸附量基本均不再變化，說明吸附趨于平衡；溫度對樹脂吸附量的影響較大，樹脂的吸附量隨溫度的升高而逐漸增大，尤其是在溫度為55 ℃時，吸附量的增加尤為明顯。

分別采用Lagergren準一級動力學方程（見式（3））和準二級動力學方程（見式（4））［10］對圖5的實驗數據進行擬合，擬合結果見表2。由表2可見，按準一級動力學方程擬合的R2整體比按準二級動力學方程擬合的更高，說明準一級動力學模型能更好地描述樹脂對RhB的吸附過程。

式中：t為吸附時間，h；qt為t時刻的吸附量，mg/g；k1為準一級吸附速率常數，h-1；k2為準二級吸附速率常數，g/（mg·h）。

以lnk1對1/T作圖，得到直線擬合方程（R2=0.921 1）為：lnk1=-8.49.49（1/T）+0.04。根據Arrhenius方程（見式（5）），得到吸附活化能為7.06 kJ/mol。

式中：Ea為吸附活化能，J/mol；R為摩爾氣體常數，8.314 J/（mol·K）；T為吸附溫度，K；A為指前因子。

表2 動力學方程的擬合結果

2.4 吸附熱力學

D001樹脂對RhB的吸附量隨溫度的升高而增加，說明該吸附反應為吸熱反應。吸熱反應中的熱力學函數可通過式（6）［11］以及Van Hoff方程（見式（7））計算。

式中：ΔG為吸附自由能變，J/mol；Kd為吸附平衡常數，Kd=qe/ρe，L/g；ΔH為吸附焓變，J/mol；ΔS為吸附熵變，J/（mol·K）。

根據在不同溫度條件下樹脂吸附處理5 mg/L RhB溶液的實驗結果，計算出吸附平衡常數Kd。由式（6）得到298，308，318，328 K下的ΔG分別為-5.411，-6.271，-7.113，-8.744 kJ/mol，均為負值，說明樹脂吸附RhB是一個自發的過程。隨著溫度的升高，ΔG逐漸減小，說明溫度的提升有利于吸附的進行。按式（7）進行擬合得到ΔH為26.749 kJ/mol，ΔS為0.107 kJ/（mol·K），R2為0.954 4。吸附體系的ΔH＞0，說明吸附過程是一個吸熱過程。吸附體系的ΔS＞0，說明RhB在樹脂上的吸附是熵推動過程。根據吸附交換理論［12］，對于固液體系，溶質分子的吸附是熵減少的過程，溶劑的脫附是熵增加的過程，兩者的總和就是吸附過程的熵變，它取決于溶質和溶劑在固體表面作用的強弱和分子體積。由于RhB的分子體積遠大于水分子，故吸附過程的熵變大于零。

2.5 控速機理的判定

離子交換過程受液膜擴散、顆粒擴散和化學反應3個步驟控制，而其中速度最慢的一步就是控制離子交換速率的主要控制步驟。液膜擴散、顆粒擴散和化學反應控制方程的表達式分別見式（8）～（10）。

式中：F為離子交換度，F = qt/qe；k為擴散系數，h-1。

在25 ℃下將樹脂吸附處理15 mg/L RhB溶液的實驗數據，按照3個速率控制方程分別進行擬合，結果見圖6。由圖6可見，顆粒擴散和化學反應的控制方程的擬合曲線均具有較好的線性關系，說明顆粒擴散和化學反應兩個步驟一起影響樹脂吸附過程的反應速率。但是因為一般化學反應都很快，很難成為控速步驟［13］，所以顆粒擴散是D001樹脂對RhB吸附的控制步驟。

圖6 速率控制方程的擬合曲線

2.6 樹脂重復使用

D001樹脂的重復使用性能見圖7。由圖7可見，樹脂連續使用3次后，對RhB染料的吸附量有一定的下降，可能是因為樹脂在清洗過程中內部的染料分子難以完全清洗干凈所致，但下降幅度不大，說明樹脂具有良好的重復使用性能。

圖7 D001樹脂的重復使用性能

3 結論

a）D001樹脂表面存在孔隙，可增加樹脂的比表面積，有利于RhB的吸附。樹脂表面的磺酸基團可通過與陽離子染料RhB絡合而將其吸附。

b）Langmuir等溫吸附模型能更好地描述樹脂對RhB的吸附規律，說明RhB在樹脂表面呈單分子層吸附狀態。升高溫度有利于樹脂吸附RhB。

c）吸附過程符合Lagergren準一級動力學方程，初始RhB質量濃度為20 mg/L時吸附活化能為7.06 kJ/mol。

d）樹脂對RhB的吸附是一個自發的、吸熱的、熵推動的過程。

e）顆粒擴散為吸附過程的控制步驟。

f）樹脂具有良好的重復使用性能。

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Adsorption capability of ion exchange resin D001 to Rhodamine B

Liu Baofeng，Hong Jun，Wang Li，Tong Cheng

（Engineering Research Center of Nano-Geomaterials of Ministry of Education，School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China）

Strong-acid cation exchange resin D001 was used as adsorbent for removal of Rhodamine B（RhB）from aqueous solution. The characterization results by SEM and FTIR showed that：The pores structure on the resin surface contribute to increase the specific surface area of the resin；Sulfonic acid groups on the resin surface could adsorb RhB by complexing with the cation dye. The experimental results showed that：The adsorption isotherm of the resin followed Langmuir model better，the increase of temperature favored adsorption reaction；The adsorption kinetics followed the pseudo- fi rst order equation，the adsorption activation energy was 7.06 kJ/mol when the initial mass concentration of RhB was 20 mg/L；The adsorption process was a spontaneous，endothermic and entropy driving reaction；The ratedetermining step was particle diffusion；The resin had good reusability.

cation ion exchange resin；Rhodamine B；adsorption thermodynamics；adsorption kinetics

X791

A

1006-1878（2017）05-0543-05

10.3969/j.issn.1006-1878.2017.05.009

2017 - 02 - 27；

2017 - 06 - 04。

劉保鋒（1990—），男，江西省吉安市人，碩士生，電話 134762292920，電郵 cugliubaofeng@163.com。聯系人：洪軍，電話 18817138857，電郵 hongjun@cug.edu.cn。

（編輯 魏京華）