改性活性炭對染料甲基橙的吸附性能研究

林迪， 郭宇， 賈世宇， 李海波， 趙若含， 楊回歸

（遼寧工業大學化學與環境工程學院，遼寧錦州 121001）

隨著工業的快速發展，大量的重金屬離子和有機染料分子等污染物被排放到環境中，導致了環境的嚴重污染。 吸附法因其操作簡單、去除效率高等特點，已被廣泛應用于水體污染物的處理領域[1,2]。

以前所使用的吸附劑材料主要有沸石分子篩、活性炭、氧化石墨烯、殼聚糖等[3～5]。 其中，活性炭是一種具有比表面積大、堆積密度低和孔隙結構發達等特點的多孔碳材料，其成本低廉、原料易獲取，被廣泛應用在水體凈化、脫色、除味和降低COD 等方面[6，7]。 然而，單純活性炭的吸附能力和吸附容量有限。 因此，研究者通過對活性炭進行改性，調整其孔道結構和表面的酸堿性，顯著提高了其吸附性能[8,9]。本文主要利用鹽酸對活性炭進行改性制備改性活性炭， 并以甲基橙為模擬污染物，研究了改性活性炭對甲基橙的吸附性能。

1 實驗

1.1 原料和儀器

活性炭（純度>96%，鞏義市天澤水處理材料有限公司）；甲基橙（分析純，天津市天力化學試劑有限公司）；鹽酸（分析純，天津市光復科技發展有限公司）；去離子水（自制）。

水浴振蕩器（HZS-HA，哈爾濱東聯電子技術開發有限公司）；可見分光光度計（721G，上海儀電分析儀器制造有限公司）；數顯pH 計（PHS-25，上海儀電科學儀器股份有限公司）； 電熱鼓風干燥箱（101， 北京市永光明醫療儀器有限公司）。

1.2 改性活性炭的制備

本實驗采用鹽酸對活性炭進行改性。 首先在錐形瓶加入10 g 活性炭，然后再加入100 mL 鹽酸（1 mol/L），于20℃水浴下攪拌6 h 后，用去離子水洗滌至中性、抽濾，在110 ℃干燥箱內干燥過夜，得到改性活性炭。

1.3 吸附實驗

稱取若干份一定量的改性活性炭（10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg）， 分別在甲基橙初始質量分數為20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70mg/L，吸附溫度為20℃、30℃、40℃，吸附時間為1h、2 h、4 h、6 h、8 h、10h、12h，振蕩速度為150 r/min 的情況下進行吸附實驗。 吸附實驗完成后，進行離心分離，然后取上清液進行分析。 利用分光光度計測定其在特征波長（465 nm）下的吸光度，通過標準曲線計算溶液中的甲基橙濃度，進而分析出甲基橙的去除率E（%）和吸附容量Q(mg/g)。

式中，C0為吸附前甲基橙的質量分數（mg/L），Ce為吸附后甲基橙的質量分數（mg/L），m 為吸附劑用量（g），V 為甲基橙溶液體積（L）。

2 結果與討論

2.1 標準曲線的繪制

分 別 配 制2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L 的甲基橙溶液，以465 nm 為測定波長，用可見光分光光度計測出各質量分數下的吸光度，以甲基橙的質量分數為橫坐標，各質量分數下所測出的吸光度為縱坐標繪制出甲基橙溶液的吸光度標準曲線，如圖1 所示。 從圖1 中可以看出：甲基橙的標準曲線方程為y=0.12299 x - 0.00543，其相關系數為R2=0.99933。 由甲基橙的標準曲線方程和相關系數可以看出，在所測定的濃度范圍內，線性關系良好。

圖1 甲基橙溶液的吸光度標準曲線

2.2 改性活性炭的用量對吸附甲基橙性能的影響

在10 個錐形瓶中分別加入50 mL 質量分數為60 mg/L 的甲基橙溶液， 再分別向其中加入不同質量（10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg）的未改性的活性炭和鹽酸改性后的活性炭， 在20 ℃及150 r/min 振蕩速度下進行吸附試驗，12 h 之后取樣， 用分光光度計測定吸光度并計算去除率，結果如圖2 所示。 由圖2 可知： 當吸附劑用量小于30 mg 時，隨著改性活性炭用量的增加，甲基橙的去除率不斷提高；當吸附劑用量大于30 mg 時，甲基橙去除率增幅很小，趨于平衡。 這可能是因為隨著吸附劑用量的增加，活性炭提供吸附的活性位點增多，吸附傳質動力較大，導致甲基橙分子較容易與活性炭表面的活性位點結合。 然而，由于甲基橙溶液質量分數和體積一定，當繼續增加吸附劑用量時，甲基橙分子已經被吸附到活性炭的活性位點上，達到吸附平衡。 而且，改性活性炭對于甲基橙的去除效果明顯高于未改性的活性炭。 在吸附劑用量為30 mg 時，改性活性炭和未改性活性炭對甲基橙去除率分別為93.5% 和72.1%，吸附容量分別為93.5 mg/g 和72.1 mg/g。 這可能是因為鹽酸對于活性炭改性過程中起到一定的化學刻蝕作用，能夠有效去除活性炭中的酸溶性物質，降低活性炭中灰分，提高活性炭的比表面積，從而能夠顯著提高活性炭的吸附性能[6]。因此，吸附劑用量應控制在30 mg 為宜。

圖2 吸附劑用量對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

2.3 甲基橙初始濃度對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

配制不同質量分數（20 mg/L、30mg/L、40mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70 mg/L）的甲基橙溶液置于錐形瓶中， 分別向其中加入30 mg 未改性活性炭和鹽酸改性活性炭， 放入水浴恒溫振蕩器中振蕩，設置轉速為150 r/min，溫度為20℃，12 h 之后取樣、過濾， 用分光光度計測定其吸光度并計算去除率，結果如圖3 所示。 從圖3 中可以看出：當甲基橙初始質量分數由20 mg/L 增加到60 mg/L 時，鹽酸改性活性炭對甲基橙的吸附容量， 由32.8 mg/g提高至93.5 mg/g。 這是因為當溶液中甲基橙的濃度提高時，改性活性炭表面的吸附點位相對甲基橙分子是過量的，可迅速與甲基橙分子發生吸附作用，吸附容量逐漸提高。 但當甲基橙初始質量分數繼續提高至70 mg/L 時，其改性活性炭的吸附容量提高程度較小， 說明此時活性炭上的吸附位點逐漸達到吸附飽和狀態， 過量的甲基橙分子只能在溶液中處于游離狀態， 不能被活性炭吸附。 因此，甲基橙的初始質量分數應控制為60 mg/L。

圖3 甲基橙的初始質量分數對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

2.4 吸附溫度對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

分別稱取30 mg 未改性活性炭和鹽酸改性活性炭加入到50 mL 質量分數為60 mg/L 的甲基橙溶液中，將其置于水浴恒溫振蕩器中，在150 r/min振蕩速度下分別在20℃、30℃、40℃時進行吸附實驗，結果如圖4 所示。 從圖4 中可以看出：隨著吸附溫度增加， 鹽酸改性活性炭和未改性活性炭對甲基橙的吸附容量不斷提高， 分別達到96.1 mg/g和73.7 mg/g。 這是由于隨著溫度升高， 甲基橙分子的遷移速度加快， 染料廢水溶液的黏度下降，有利于活性炭對甲基橙的吸附。 然而，溫度過高，在實際應用中會增加能耗和操作成本。 因此，吸附溫度應控制在40℃為宜。

圖4 吸附溫度對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

2.5 吸附時間對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

分別稱取30 mg 未改性活性炭和鹽酸改性活性炭加入到50 mL 質量分數為60 mg/L 的甲基橙溶液中，將其置于水浴恒溫振蕩器中，在40 ℃及150 r/min 振蕩速度下進行吸附實驗，分別在1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10h、12h 取樣、過濾，測定其吸光度并計算甲基橙的去除率， 結果如圖5 所示。 從圖5 中可以看出：當吸附時間小于8 h 時，隨著吸附時間增加，鹽酸改性活性炭對甲基橙的去除率和吸附容量不斷提高。 這是由于活性炭表面的活性點位相對較多，水溶液中的甲基橙質量分數也相對較高，吸附的傳質動力較大，甲基橙分子可迅速與活性點位作用， 吸附在96.1 活性炭表面；隨著吸附反應過程的進行，甲基橙和活性炭吸附劑之間的質量分數差漸漸降低，而在之前吸附在活性炭表面的甲基橙分子逐漸通過活性炭中、大孔擴散進入到微孔結構中，擴散速率逐漸變得緩慢[6]。 當吸附時間繼續提高時，活性炭對于甲基橙的吸附趨于飽和狀態， 吸附容量和甲基橙去除率增長緩慢。 當吸附時間為8h 時，鹽酸改性活性炭和未改性活性炭對甲基橙去除率分別達到96.1%和79.2%，吸附容量分別達到96.1mg/g 和79.2mg/g。因此，吸附時間應控制在8h 為宜。

圖5 吸附時間對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

3 結論

本文制備的鹽酸改性活性炭甲基橙的吸附能力明顯高于未改性的活性炭。 通過單因素實驗確定了改性活性炭吸附甲基橙的最佳條件為：改性活性炭用量30mg，甲基橙初始質量分數60mg/L，吸附溫度40℃，吸附時間8 h，鹽酸改性活性炭對甲基橙的去除率可達到96.1%。