硫酸鐵改性氧化鋁對甲基橙的吸附性能研究

于漢迪，吳紅梅， 孫樂樂，李晴，張嘉敏，于金秀，張琳

（遼寧工業大學化學與環境工程學院，遼寧 錦州121001）

隨著我國印染行業的大力發展，常常伴隨產生大量的含染料廢水，如果染料廢水達不到排放標準就直接排放到水中，會在環境中大量積累而造成嚴重的生態污染，從而進一步影響人類的身體健康[1～3]。甲基橙作為偶氮染料中的一種，較難降解，在生產和使用的過程中都會產生大量的染料廢水[4～6]，因此，研究偶氮染料甲基橙廢水處理方法具有重要意義。

對偶氮染料廢水的處理方法有很多，但傳統方法都存在著一定的局限性。而吸附法不僅費用少、操作過程簡單，而且效率高、耗能低，對于處理這種難降解的偶氮染料具有很大的優勢。因此，本文首先利用硫酸鐵對活性氧化鋁進行改性獲得高效吸附劑，并對改性后的活性氧化鋁吸附廢水中的偶氮染料甲基橙進行研究。

1 實驗

1.1 原料和儀器

硫酸鐵（分析純，天津市瑞金特化學品有限公司）；氫氧化鈉（分析純，天津市光復科技發展有限公司）；鹽酸（分析純，天津市光復科技發展有限公司）；甲基橙（分析純，天津市分船化學試劑科技有限公司）；氧化鋁（廊坊納科有限公司）；蒸餾水（自制）。

水浴振蕩器（HZS-HA，哈爾濱東聯電子技術開發有限公司）；超聲波振蕩儀（KH7000，昆山禾創超聲儀器有限公司）；電熱恒溫干燥箱（101-2ES，北京市永光明醫療儀器有限公司）；電子天平（JEB303，上海浦春計量儀器有限公司）；數顯pH 計（PHS-25，上海儀電科學儀器股份有限公司）；可見分光光度計（721G，上海儀電分析儀器制造有限公司）。

1.2 活性氧化鋁的改性

1）用蒸餾水清洗活性氧化鋁小球，再用超聲儀器超聲10 min，去除活性氧化鋁的表面雜質。

2）將超聲后的活性氧化鋁放入恒溫干燥箱中，在120 ℃下烘4 h。

3）稱取20 g 硫酸鐵粉末，配置成0.5 mol/L 的硫酸鐵溶液；再稱取25 g 活性氧化鋁，浸漬3 h。然后用蒸餾水進行清洗，抽濾，直至濾液的pH 值接近中性，再將洗凈后改性活性氧化鋁放入恒溫干燥箱中烘干，備用。

1.3 吸附實驗

稱取0.02 g 甲基橙，配制成200 mg/L 的甲基橙溶液。再稱取2.0 g 改性后的活性氧化鋁放入錐形瓶中，加入50 mL 的甲基橙溶液（200 mg/L），將錐形瓶放在水浴振蕩器震蕩一定時間，用可見分光光度計測量經吸附后甲基橙的吸光度。

2 結果與討論

2.1 標準曲線的繪制

以甲基橙的濃度為橫坐標，吸光度A 為縱坐標，測定波長為465 nm，得到甲基橙的標準曲線如圖1 所示。回歸方程為y=0.12299x-0.00543，相關系數R2=0.99933。由回歸方程和相關系數可以看出，甲基橙在濃度為0～10 mg/L 的范圍內，線性關系良好，符合朗伯-比爾定律。

圖1 甲基橙的標準曲線圖

2.2 吸附溫度對改性活性氧化鋁吸附甲基橙性能的影響

取2.0 g 硫酸鐵改性后的活性氧化鋁，吸附初始濃度為200 mg/L 的甲基橙，在轉速為200 r/min、吸附時間為100 min，測定不同吸附溫度對甲基橙吸附率，結果如圖2 所示。從圖2 中可以看出，甲基橙的吸附率隨著吸附溫度的增加先上升后下降，40 ℃時甲基橙的吸附率最高。這是因為吸附剛開始時，改性活性氧化鋁的所有活性位點都處于空著的狀態，而甲基橙分子之間的競爭又很弱，所以隨著吸附溫度的升高甲基橙吸附率上升得很快，但隨著吸附溫度升得越高，活性氧化鋁上越來越多的活性位點被占據，甲基橙分子之間的競爭也越來越激烈，因此溫度太高不利于甲基橙分子在活性氧化鋁表面的吸附，最佳吸附溫度為40 ℃。

圖2 吸附溫度對甲基橙吸附率的影響

2.3 轉速對改性活性氧化鋁吸附甲基橙性能的影響

取2.0 g 硫酸鐵改性后的活性氧化鋁，吸附初始濃度為200 mg/L 甲基橙，吸附溫度為40 ℃，吸附時間為100 min，每間隔20 min 測定不同轉速下甲基橙的吸附率，如圖3 所示。從圖3 中可知：隨著轉速的增加，甲基橙的吸附率也隨之上升，說明提高轉速有利于甲基橙的吸附。這是因為轉速越大，改性活性氧化鋁與甲基橙的混合越充分，吸附進行得更充分。但當轉速從240 r/min 上升到280 r/min 時，甲基橙的吸附率幾乎沒有明顯變化，說明當轉速為240 r/min 時改性活性氧化鋁吸附甲基橙已經達到飽和，因此最佳轉速為240 r/min

圖3 轉速對甲基橙吸附率的影響

2.4 改性活性氧化鋁的用量對吸附甲基橙性能的影響

吸附溫度為40 ℃，轉速為240 r/min，甲基橙初始濃度200 mg/L，考察改性活性氧化鋁的用量對甲基橙吸附性能的影響，結果如圖4 所示。甲基橙的吸附率隨著改性活性氧化鋁用量的增加而增加，當改性活性氧化鋁用量＞3.0 g 時，甲基橙的吸附率為75.8%，此時吸附達到飽和。這是由于隨著活性氧化鋁用量的增多，吸附體系中可交換的活性位點就越多，對底物分子的吸附量也就越大，所以甲基橙的吸附率就先增加。當改性活性氧化鋁的用量＞3.0 g 之后，隨著吸附劑用量的繼續增加，甲基橙的吸附率達到飽和，不再變化，但此時1mg活性氧化鋁的吸附量在下降，即活性氧化鋁的利用率隨著活性氧化鋁用量的增加而降低。因此，改性活性氧化鋁的最佳用量為3.0 g。

圖4 吸附劑用量對甲基橙吸附率的影響

2.5 甲基橙的初始濃度對改性活性氧化鋁吸附甲基橙性能的影響

吸附溫度為40 ℃，轉速為240 r/min，吸附劑用量為3.0 g 時，考察不同的甲基橙初始濃度對改性活性氧化鋁吸附甲基橙性能的影響，結果如圖5 所示。甲基橙的初始濃度為200 mg/L 時吸附率最高，可達到79.8%。隨著甲基橙初始濃度增大，甲基橙的吸附率也隨之增加，然而當繼續增加甲基橙的初始濃度時吸附率反而下降了，這主要是因為活性氧化鋁經硫酸鐵改性后，增加了活性氧化鋁的表面吸附位點，因此甲基橙吸附率先隨甲基橙初始濃度的增加而增加；但是過高濃度的甲基橙將改性活性氧化鋁的孔道堵塞，比表面積減小，反而不利于甲基橙在孔道內吸附，從而使得吸附率降低。因此，本實驗選用甲基橙的初始濃度為200 mg/L。

圖5 甲基橙的初始濃度對甲基橙吸附率的影響

2.6 pH 值對改性活性氧化鋁吸附甲基橙性能的影響

吸附溫度為40 ℃，轉速為240 r/min，吸附劑用量為3.0 g，甲基橙初始濃度為200 mg/L，考察不同pH 值時改性活性氧化鋁對甲基橙吸附性能的影響，結果如圖6 所示。甲基橙的pH 值直接影響著改性活性氧化鋁吸附甲基橙的性能。當pH值=7 時，吸附率為84.3%，此時達到最大值。隨著甲基橙廢水pH 值的不斷增加，甲基橙的吸附率先逐漸增加而后下降，這是由于pH 值起著調節吸附離子化程度的作用，溶液中的H+可以增加改性活性氧化鋁的比表面積及其表面的電荷分布，所以剛開始隨著pH 值的增加有利于改性活性氧化鋁對甲基橙的吸附，但當pH 值>7 時，溶液中含有的OH-會和甲基橙發生競爭吸附，從而導致甲基橙的吸附率下降，吸附容量降低。因此最佳pH值為7 左右。

圖6 甲基橙的pH 對甲基橙吸附率的影響

3 結論

本文采用硫酸鐵對活性氧化鋁進行改性，研究了改性后活性氧化鋁對甲基橙的吸附性能。考察了吸附溫度、轉速、改性活性氧化鋁用量、甲基橙的初始濃度和pH 值等因素對改性后活性氧化鋁吸附甲基橙性能的影響，獲得硫酸鐵改性活性氧化鋁吸附甲基橙的最佳工藝條件：吸附溫度40℃、轉速240 r/min、活性氧化鋁的用量3.0 g、甲基橙的初始濃度200 mg/L、甲基橙廢水的pH 值為7，此時甲基橙的吸附率可達到84.3%。