核桃殼生物炭吸附處理羅丹明B的性能研究

李丙陽 劉國芳 趙子琦 趙楊楊 唐然肖

【摘?要】本文研究了核桃殼生物炭對羅丹明B的吸附特性，考察了吸附劑用量、溶液的pH、染料溶液濃度、氯化鈉對吸附平衡的影響。實驗結果表明核桃殼生物炭能有效吸附去除溶液中的羅丹明B，該吸附不受溶液pH和其它強電解質的影響。而且核桃殼生物炭可回收再利用5次，去除率仍可達到93.17%。

【關鍵詞】核桃殼生物炭;吸附;羅丹明B

羅丹明B是一種人工合成的染料，在腈綸、造紙、油漆、鋼鐵、礦業等領域應用十分廣泛，但羅丹明B有毒，對人體會有潛在的致癌、致畸和致突變的危害[1]，處理羅丹明B的常用方法有電化學法、光催化降解法、吸附法、超聲降解法等[2-5]。其中吸附法具有操作方便、成本低廉、無二次污染、污染物去除率高[6-7]等優點，應用較為普遍。近年來有關染料污染防治研究的重點是生物吸附[8-10]，即利用廉價、可再生、來源廣泛的生物質材料吸附去除水體中的有機污染物。與傳統吸附劑相比，生物質吸附劑具有表面積大、成本低、吸附效率高等優點，生物質材料不僅來源廣泛、價格低廉，還符合“變廢為寶”、“低碳環保”的可持續發展理念[11，12]。

我國是一個農業大國，核桃作為一種富含營養素的堅果類食品深受老百姓喜愛，每年核桃產量超過2×104噸，核桃殼既不能食用，也不能作牲畜飼料，卻是一種很好的生物質，但多數核桃殼都被視作農業廢棄物焚燒處理，這樣不僅會浪費大量的生物質，還會對環境造成污染。由于核桃殼中含有豐富的纖維素、木質素等，可制成生物炭，核桃殼生物炭具有較強的吸附能力，可作為吸附劑吸附處理環境中的有機污染物。

本文欲用課題組制備所得的核桃殼生物炭吸附處理羅丹明B溶液，研究吸附劑用量、pH值、溶液濃度、其它強電解質等因素對吸附平衡的影響，并進一步探索吸附劑回收再利用的性能。

1. 吸附實驗

1.1吸附劑用量對吸附性能的影響

移取4份濃度為100 mg·L-1的羅丹明B溶液，分別按照下列標準加吸附劑0.10 g·L-1、0.25 g·L-1、0.50 g·L-1和0.75 g·L-1，置于恒溫振蕩器中，按設定時間依次取樣，過濾后測定溶液中殘留羅丹明B的濃度，計算核桃殼生物炭對羅丹明B的去除率R，計算公式如下：

其中，R是核桃殼生物炭對羅丹明B的去除率;c0為吸附前羅丹明B的濃度（mg·L-1）;ct是任一吸附時間時羅丹明B的濃度（mg·L-1）。

1.2 pH對吸附性能的影響

取濃度為100 mg·L-1的羅丹明B溶液于錐形瓶中，用0.10 mol·L-1HCl或NaOH溶液調節溶液pH值，分別為2、4、6、9、11，加入最佳用量的核桃殼生物炭吸附劑，置于恒溫振蕩器中，按設定依次時間取樣，計算吸附的去除率R。

1.3吸附動力學實驗

取不同初始濃度的羅丹明B溶液，加入最佳用量的核桃殼生物炭，置于恒溫振蕩器中，按設定時間依次取樣，計算吸附的去除率R。

1.4 其他電解質對吸附的影響

取三份濃度為100 mg·L-1的羅丹明B溶液，加入最佳用量的核桃殼生物炭，向溶液中分別加入1%、5%和10%的NaCl，置于恒溫振蕩器中，按設定時間依次取樣，計算吸附的去除率R。

1.5 吸附劑的再生實驗

取一定量濃度為100 mg·L-1的羅丹明B溶液，加入20 mg回收的核桃殼生物炭，置于恒溫振蕩器中，按設定時間依次取樣，計算吸附的去除率R。

2 結果與討論

2.1吸附劑的用量對吸附性能的影響

吸附劑的用量對去除率的影響見圖1。由圖可知，核桃殼生物炭對水中羅丹明B的去除率隨吸附劑用量的增加而增大。當吸附劑用量達到0.5 g·L-1時，羅丹明B去除率為99.88%，達到去除羅丹明B的效果，再增加吸附劑的用量去除率變化不大，這是因為吸附劑用量越大，提供的吸附活性位點越多，所以核桃殼生物炭對水中羅丹明B的去除率越大;但是隨著再增加吸附劑用量時，由于吸附劑的重疊或聚合，導致吸附能利用的表面積和有效的吸附活性位點相應減少。羅丹明B去除率反而變化不大。基于以上考慮核桃殼生物炭的最佳用量選擇0.5 g·L-1。

2.2 溶液pH對吸附效果的影響

溶液pH是影響吸附平衡的一個重要因素，是實際吸附是否調節溶液pH的重要依據，實驗結果見圖2。由圖可知羅丹明B在核桃殼生物炭上的吸附不隨溶液pH變化而改變，pH基本維持在99%左右，因此在以后的實驗過程中不用調節溶液的pH值。

2.3溶液濃度的影響

在恒定溫度和溶液pH值條件下，羅丹明B的溶液濃度對吸附效果的影響見圖3。由圖中的數據可知，羅丹明B在核桃殼生物炭上的去除率隨溶液初始濃度的增加而降低，吸附達到平衡的時間也越長，但吸附羅丹明B溶液濃度范圍比較大，當吸附劑用量為0.5 g·L-1，吸附120 min時，300 mg·L-1羅丹明B溶液的去除率能達到77.8%。

2.4其他強電解質對吸附效果的影響

溶液中其他強電解質的存在對吸附有重要的影響，是染料吸附處理需要考察的一個因素，本實驗以NaCl為例考察不同濃度強電解質對吸附平衡的影響，實驗結果見表4。由表中數據可知，其他強電解質NaCl的存在對羅丹明B在核桃殼生物炭上的吸附平衡沒有明顯的影響。

2.5吸附劑的重復再利用

將使用過的吸附劑進行回收處理，并將其再用于吸附處理羅丹明B溶液，實驗結果見表2。

由表中的數據可知，核桃殼生物炭可重復再利用，重復使用5次去除率仍可達到93.17%，基本能達到去除廢水中羅丹明B的目的，所以核桃殼生物炭可重復再利用，符合低碳經濟的概念。

3.結論

核桃殼生物炭吸附處理羅丹明B染料模擬廢水時，當核桃殼生物炭的投加量是0.5 g·L-1時，羅丹明B的去除率為99.88%，并且該吸附不受溶液pH值的影響，所以在實際實驗過程中不用調節溶液的pH值。核桃殼生物炭吸附劑可重復再利用5次，去除率仍可達到93.17%;其他電解質的存在對吸附有影響但影響不大，實際處理時可不用過多考慮。本實驗為農業廢棄物的處理方式開辟了新途徑，具有較大的經濟效益和環保效益。

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基金項目：

2020年大學生創新創業訓練校級計劃項目資助（項目編號：2020263;2020264）

作者簡介：

李丙陽（1999-），男，河北邢臺人。

通訊作者：

唐然肖（1979-），女，河北無極人。

（作者單位：河北農業大學）