巴旦木殼制備的活性炭對活性艷藍KN-R的吸附性能

楊麗娟，侯德花，李小敏

（伊犁師范學院化學與環境科學學院污染物化學與環境治理重點實驗室，新疆伊寧 835000）

活性艷藍KN-R 主要應用于紡織、皮革、造紙、制藥等領域。世界上每年生產超過70 萬t 染料［1-3］，其中12%作為廢水排出。我國對印染廢水的排放要求相對較高，排放標準為50 mg/L（參見GB 8978—1996）。用吸附法去除廢水中的活性艷藍KN-R 具有操作工藝簡單、無二次污染且吸附材料廉價易得等優勢，利用廢棄橘子皮、木薯皮、香蕉皮［4-7］等生物質為原料制備的活性炭可以作為吸附劑。

新疆是世界上種植巴旦木較多的地區，巴旦木有40 多個品種［8-9］，巴旦木殼通常被直接丟棄，導致環境污染。新疆的氣候特點是晝長夜短、溫差較大，致使巴旦木殼的表面積大，灰分含量少，是制備上等活性炭的最佳原料之一，以此為原料制備活性炭吸附活性艷藍KN-R 既能減少環境污染，又能實現固廢資源的資源化利用。

本實驗以巴旦木殼為吸附劑原料，通過ZnCl2改性、高溫燒制、鹽酸煮沸制備巴旦木殼活性炭，探究污染物質量濃度、活性炭用量以及吸附時間等因素對吸附效果的影響，為使用巴旦木殼吸附劑處理廢水提供依據。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：巴旦木殼（新疆本地產），氯化鋅（ZnCl2），活性艷藍KN-R。儀器：SHA-BA 型恒溫水浴振蕩器，723PC 型可見分光光度計，FA2204B 電子天平，BAO-35A 精密鼓風干燥箱，XH-300A 型微波反應器，MF-0610P型陶瓷纖維馬弗爐。

1.2 吸附劑的制備

制備0.7 mol/L ZnCl2溶液，將粉碎好的巴旦木殼粉末放置其中，在室溫下振蕩2 h，烘干后用馬弗爐600 ℃活化50 min，再用鹽酸溶液煮沸20 min，蒸餾水洗至中性并烘干，研磨成粉備用。

1.3 活性艷藍KN-R 標準曲線

配制系列濃度活性艷藍KN-R 溶液，在592 nm處測定吸光度A，繪制標準曲線（A=0.010 4x+0.326 0，相關系數R2=0.998 3）如圖1所示。

圖1 活性艷藍KN-R 標準曲線

量取25 mL 活性艷藍KN-R 模擬廢水于100 mL錐形瓶中，加入活性炭吸附劑，置于微波爐中進行吸附處理，取上清液測吸光度，按下式計算吸附量和去除率［10］：

式中：ρ0和ρt分別為染料初始質量濃度、殘留質量濃度，mg/L；V為溶液體積，L；m為吸附劑用量，g。

1.4 吸附等溫線方程［10］

Langmuir吸附等溫線方程如下：

式中：ρe為平衡時溶液中的染料質量濃度，mg/L；qe為染料在吸附劑上的平衡吸附量，mg/g；qm為飽和吸附量mg/g；KL為Langmuir 平衡常數。以ρe/qe-ρe作圖可以得到一直線，通過直線的斜率可以得到qm值，通過截距可以求得KL值。

Freundlich 吸附等溫線方程如下：

式中：ρe為平衡時染料在溶液中的質量濃度，mg/L；qe為染料在吸附劑上的平衡吸附量，mg/g；n、KF均為Freundlich 常數。以lnqe-lnρe作圖可得一直線，通過直線的斜率可以得到n值，由截距可求得KF值。

1.5 吸附反應動力學方程［11-14］

準一級動力學方程如下：

式中：Qe和Qt分別表示吸附達到平衡時的平衡吸附量和時間為t時的單位吸附量，mg/g；K1為準一級動力學吸附速率常數，min-1。

準二級動力學方程如下：

式中：K2代表準二級吸附速率常數，g/mg/min，當t=0時，初始吸附速率h=K2Qe2。

2 結果與討論

2.1 影響吸附性能的因素

2.1.1 波

將0.1 g 巴旦木殼吸附劑粉末及25 mL 20 mg/L活性艷藍KN-R 溶液分別置于4 個100 mL 錐形瓶中，放入微波爐，分別在光波、光波組合c1、光波組合c2、微波條件下放置2 min，冷卻至室溫，抽濾，取上清液，分別在最大吸收波長592 nm 處測吸光度，并計算吸附量和去除率，結果如圖2所示。微波是指1～100 nm、300～3 000 MHz 的電磁輻射線；光波利用輻射使水分子逸出，達到干燥目的［15］；微波-光波組合結合二者優勢，避免溫度不均勻、溫度梯度大等問題。由圖2 可知，光波輔助染料去除率最小，微波略高，光波與微波組合能提供吸附劑吸附染料的能量。經微波影響后，活性炭表面的堿性官能團數量增加，化學吸附能力提高，同時活性炭表面非極性增強，吸附活性位點增加，有利于染料的吸附［16］。光波組合c2（45%光波+55%微波）、光波組合c1（30%微波+70%光波）的去除率差異不大，分別為89.35%、87.45%，c2的去除率較高，是由于其微波含量與光波含量相差不大，避免了溫度不均勻、溫度梯度大等問題。單因素吸附實驗時，選擇光波組合c2輔助。

圖2 不同波對巴旦木殼吸附劑吸附性能的影響

2.1.2 吸附時間

將0.1 g 巴旦木殼吸附劑粉末放入錐形瓶中，分別加入15 mL 20 mg/L 活性艷藍KN-R 溶液，在最佳波條件下分別放置不同時間。冷卻至室溫，抽濾，取上清液，分別在最大吸收波長592 nm 處測吸光度，并計算吸附量和去除率，結果如圖3所示。由圖3 可以看出，隨著吸附時間延長，吸附量增加，達到最大值后減小。吸附過程為物理吸附，通過吸附劑分子和吸附質分子間的擴散運動進行吸附［17］，0.5～1.0 min 時，吸附量、去除率增大，表明剛開始吸附時吸附劑表面上有較多孔隙結構，分子間碰撞運動劇烈，染料被吸附劑吸附［18］；1.0～1.5 min 時吸附量繼續上升，1.5 min 時達到最大值；1.5～3.0 min 時吸附量下降，出現少量解吸附現象，吸附量、去除率減小。因此，吸附時間選擇1.5 min。

圖3 吸附時間對巴旦木殼吸附劑吸附性能的影響

2.1.3 染料質量濃度

取0.1 g 巴旦木殼吸附劑粉末于錐形瓶中，分別加入不同質量濃度活性艷藍KN-R 溶液15 mL，在最佳波和最佳時間下處理后冷卻至室溫，抽濾，取上清液，分別在最大吸收波長592 nm 處測吸光度，并計算吸附量和去除率，結果如圖4所示。

圖4 染料質量濃度對巴旦木殼吸附劑吸附性能的影響

由圖4 可以看出，吸附量隨著染料質量濃度的增大而增大，當染料質量濃度超過400 mg/L 時，吸附量下降。吸附劑濃度較低時吸附量較高，濃度過高則吸附反應容易達到平衡。隨著染料質量濃度增加，未被吸附的染料分子增多，去除率降低。綜合考慮，染料質量濃度選擇150 mg/L。

2.1.4 吸附劑用量

分別取不同質量活化后的巴旦木殼吸附劑粉末于錐形瓶中，各放入25 mL 150 mg/L 活性艷藍KN-R溶液，在最佳波和最佳時間下處理后冷卻至室溫，抽濾，取上清液，分別在最大吸收波長592 nm 處測吸光度，并計算吸附量和去除率，結果如圖5所示。

圖5 吸附劑用量對巴旦木殼吸附劑吸附性能的影響

由圖5 可知，去除率隨著吸附劑用量的增加而增加，染料質量濃度固定，每單位體積吸附劑量不斷增加，去除率不斷上升。吸附量隨著吸附劑用量的增大而減小，這取決于染料本身結構，吸附劑用量較少時易聚集，染料分子之間靜電作用干擾比表面吸附基團小，單位質量巴旦木殼吸附劑的吸附量較低［19-20］。綜合考慮，吸附劑用量選擇0.2 g。

2.2 正交實驗［21］

根據單因素實驗結果，研究吸附時間、染料質量濃度、吸附劑用量對吸附性能的影響。由表1 可以看出，隨著吸附時間延長和染料質量濃度增加，吸附量不斷增加，但是吸附量隨著吸附劑用量的增加先增加后減少。當吸附時間延長和染料質量濃度增加時，去除率也增加，但隨著吸附劑用量增加，去除率先增大后減小。綜合考慮，選擇吸附時間2.0 min，染料質量濃度150 mg/L，吸附劑用量0.2 g。

表1 正交實驗表

2.3 吸附等溫線

通過Langmuir 吸附等溫式和Freundlich 吸附等溫式擬合巴旦木殼吸附劑吸附活性艷藍KN-R 染料，得到參數值如表2所示。

表2 Langmuir 和Freundlich 參數值

在Freundlich 等溫模式中，n＞1，表明活性艷藍KN-R 染料易被巴旦木殼吸附劑吸附。由圖6 可知，巴旦木殼吸附劑吸附活性艷藍KN-R 染料的過程更加符合Langmuir等溫模式（R2=0.997 3）。

圖6 Langmuir（a）、Freundlich（b）吸附等溫式擬合曲線

2.4 吸附動力學

吸附動力學研究吸附速率和吸附時間的關系，吸附速率是表征吸附劑吸附效果的重要參數［22］。根據不同吸附時間的相關數據求得吸附動力學實驗擬合曲線，計算相關參數。由表3 可知，該吸附是化學吸附，qe的值與實驗值一致，表明吸附過程符合準二級動力學方程（R2=0.975 6）。

表3 準一級和準二級動力學方程相關參數值

3 結論

當吸附時間為2 min、染料質量濃度為150 mg/L、吸附劑用量為0.2 g 時，巴旦木殼吸附劑吸附活性艷藍KN-R 染料的效果相對最佳，吸附過程更加符合Langmuir 等溫模式（R2=0.997 3），動力學吸附過程符合準二級動力學方程（R2=0.975 6），屬于化學吸附。