活性炭對直接黑19染料的吸附性能

朱 圳，莊俊俊

（1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院紡織服裝與藝術(shù)傳媒學院，江蘇蘇州 215009；2.江蘇省高端紡織智造工程研究中心，江蘇蘇州 215009）

紡織工業(yè)作為我國最大的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是當代我國國民經(jīng)濟中一個龐大的、最穩(wěn)定的支柱產(chǎn)業(yè)，也是重要的民生產(chǎn)業(yè)，解決了11.7 億人的就業(yè)。印染是紡織行業(yè)污染最重的工序，我國印染企業(yè)每天排放的廢水量達300 萬～400 萬t，占紡織工業(yè)廢水排放總量的70%［1］。品種繁多的染料的大量使用，造成了印染廢水色度大、生物毒性大、有機污染物質(zhì)難降解，因此高效處理印染廢水是紡織工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。和其他方法相比，吸附法利用吸附劑的多孔性質(zhì)，將廢水中的一種或者多種物質(zhì)吸附在其表面，具有操作簡單、去除效率高等優(yōu)勢，在處理印染廢水領(lǐng)域受到關(guān)注［2-3］。活性炭是常用的吸附劑，由于其獨特的孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的吸附性能、成本低等優(yōu)點，近年來被廣泛應用［4-5］。直接黑19 是主要的黑色染料品種之一，應用于各種棉、黏膠纖維與蠶絲、羊毛交織、混紡織物的染色和直接印花。但到目前為止，有關(guān)直接黑19 染料的吸附研究還比較少，因此本實驗選擇直接黑19 作為目標染料、活性炭作為吸附劑，討論活性炭對直接黑19 染料的吸附性能，并探究最佳吸附條件，以期為活性炭對染料吸附技術(shù)的發(fā)展提供有益的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)參考。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：活性炭（10～32、16～42、200 目）、直接黑19（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），實驗用水均為蒸餾水。直接黑19結(jié)構(gòu)式如下所示：

儀器：PHS-3C 型酸堿度測試儀（上海雷磁儀器有限公司），HS5S 型數(shù)顯恒溫磁力攪拌器（群安實驗儀器有限公司），BS224S 型電子天平（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司），TU1900 型紫外-可見分光光度計（北京普析通用儀器有限公司），單道可調(diào)移液槍［20～200、100～1 000 μL，大龍興創(chuàng)實驗儀器（北京）有限公司］。

1.2 實驗方法

稱取直接黑19，配制成1 g/L 溶液，采用紫外-可見分光光度計測試溶液在200～800 nm 的吸光度，并繪制標準曲線。

取一定量的活性炭和直接黑19 溶液，數(shù)顯恒溫磁力攪拌器攪拌一定的時間，取上清液至離心管，采用紫外-可見分光光度計對其進行光譜掃描，通過下式確定活性炭對直接黑19染料的吸附性能。其中，R為直接黑19 染料的去除率，%；ρ0為直接黑19溶液的初始質(zhì)量濃度，mg/L；ρ為吸附后直接黑19 溶液的質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 直接黑19的紫外-可見吸收光譜和標準曲線

圖1 是直接黑19 染料溶液在不同質(zhì)量濃度下的紫外-可見吸收光譜曲線。由圖1 可以看出，雖然染料質(zhì)量濃度不同，但曲線的基本形狀一致。根據(jù)不同質(zhì)量濃度的直接黑19 染料在653 nm 的吸光度繪制質(zhì)量濃度-吸光度曲線，得到圖2 的標準曲線。由圖2 可以看出，標準曲線的方程式為y=0.012 8x-0.031 8，相關(guān)系數(shù)R2為0.999 9，因此直接黑19 的質(zhì)量濃度和653 nm 處的吸光度呈良好的正相關(guān)直線關(guān)系，可以用于吸附實驗的定量分析。

圖1 直接黑19在不同質(zhì)量濃度下的紫外-可見吸收光譜

圖2 直接黑19的質(zhì)量濃度與吸光度標準曲線

2.2 活性炭吸附直接黑19的影響因素

2.2.1 活性炭目數(shù)和用量

圖3 是不同目數(shù)（10～32、16～42、200 目）、不同用量（0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 g）的活性炭對直接黑19 吸附去除率的影響。由圖3 可以看出，在相同的活性炭用量下，目數(shù)越大，活性炭對直接黑19 的去除率越高，即200 目活性炭吸附去除直接黑19 的效率始終高于10～32 目和16～42 目。這是因為單位體積中目數(shù)越多，活性炭比表面積越大，每個活性炭顆粒和直接黑19的接觸面積更大，吸附性能越好。

圖3 顯示，對于不同目數(shù)的活性炭，隨著活性炭用量的增加，對直接黑19 的吸附去除率也明顯增加。當200 目活性炭用量為0.9 g 時，直接黑19 的去除效率最高，達到了87.12%。這是因為活性炭用量越大，活性炭能夠提供的吸附位點越多，吸附傳質(zhì)動力越大，直接黑19 分子更容易與活性炭表面的活性位點結(jié)合，吸附能力越大。HAMEED 等［6］發(fā)現(xiàn)當活性炭的吸附位點飽和后，投加更多的活性炭，吸附能力會出現(xiàn)下降現(xiàn)象。而這3 種活性炭的用量為0.1～0.9 g 時，活性炭的吸附位點未飽和，其吸附去除率一直上升，吸附能力沒有受到限制，說明在此實驗條件下活性炭仍可吸附直接黑19。

圖3 活性炭目數(shù)和用量對吸附去除直接黑19的影響

2.2.2 pH

圖4 是3 種活性炭在不同pH 條件下對直接黑19的吸附去除率。

圖4 pH 對活性炭吸附去除直接黑19的影響

由圖4 可以看出，當pH 為3.47 時，3 種不同目數(shù)的活性炭對直接黑19 染料的去除效率都是最高，說明溶液為酸性條件有利于活性炭吸附直接黑19；當pH 小于7 時，溶液中存在大量氫離子，而直接黑19 在水中以帶負電荷的陰離子形式存在，加快活性炭對直接黑19 的吸附反應［7］。因此，酸性溶液更利于活性炭吸附直接黑19。由圖4 還可以看出，在相同pH 下，200 目活性炭對直接黑19 的吸附去除率始終高于10～32 目和16～42 目；當pH 為3.47 時，200 目活性炭對直接黑19 的吸附效果最好，達到了91.53%。因此選擇200目活性炭進行下面的實驗。

2.2.3 染料初始質(zhì)量濃度

圖5 顯示了200 目活性炭在pH 3.47 條件下對不同初始質(zhì)量濃度直接黑19 的吸附去除率。由圖5 可以看出，直接黑19 的初始質(zhì)量濃度不同，活性炭對其吸附去除率也是不同的。直接黑19 的初始質(zhì)量濃度越低，去除效率越高，活性炭吸附性能越好，說明直接黑19 初始質(zhì)量濃度高不利于活性炭的吸附去除。這是因為隨著直接黑19 初始質(zhì)量濃度的增加，單位質(zhì)量活性炭周圍的直接黑19 分子數(shù)也增加，而活性炭的吸附活性位點數(shù)量是一定的，逐漸會達到吸附飽和狀態(tài)，此時，過量的直接黑19 分子只能在溶液中處于游離狀態(tài)，不能被活性炭吸附去除。直接黑19 初始質(zhì)量濃度為18.95 mg/L 時，200 目活性炭對其去除率最高，達到98.26%。

圖5 直接黑19不同初始質(zhì)量濃度對活性炭吸附性能的影響

2.2.4 溫度

在影響吸附過程的各個因素中，溫度是其中的一個重要參數(shù)。圖6 是活性炭在不同溫度下吸附去除直接黑19 的效果。由圖6 可以看出，活性炭在不同的溫度下對直接黑19 染料的吸附去除率明顯不同，隨著溫度的升高，活性炭對直接黑19 的去除率逐漸增大，但超過38 ℃后，溫度繼續(xù)升高，去除率反而下降。這是因為溫度升高一方面促進直接黑19 分散，另一方面又加快活性炭對直接黑19 的解吸速度；當溫度過高時，活性炭的解吸速率超過分散速率，出現(xiàn)直接黑19 去除率下降的現(xiàn)象。因此，吸附溫度在38 ℃時活性炭對直接黑19染料的吸附去除率達到最高。

圖6 溫度對直接黑19吸附去除率的影響

2.2.5 吸附時間

圖7 是活性炭對直接黑19 吸附20、30、40、50、60、360 min 后的去除率，實驗條件是200 目活性炭、pH 3.47、初始質(zhì)量濃度18.95 mg/L。由圖7 可以看出，當吸附時間小于60 min 時，隨著吸附時間的延長，活性炭對直接黑19 的吸附去除率逐漸增大。這是由于實驗剛開始時，活性炭表面的活性位點相對較多，水溶液中的直接黑19 濃度相對較高，吸附傳質(zhì)動力較大，直接黑19 分子迅速與活性炭的活性位點發(fā)生作用，吸附在活性炭表面。隨著吸附過程的進行，直接黑19 和活性炭之間的濃度差漸漸降低，之前吸附在活性炭表面的直接黑19 分子逐漸通過活性炭中、大孔擴散進入到微孔結(jié)構(gòu)中，直接黑19 的擴散速率變慢［8］。吸附時間繼續(xù)延長，活性炭對于直接黑19 的吸附逐漸趨于飽和，吸附量和直接黑19 的去除率增長緩慢。所以，當吸附時間為360 min 時，直接黑19 的去除效率最高，為92.49%，比吸附60 min 時的去除率（91.53%）增長不多。這說明活性炭對直接黑19 吸附60 min 后基本達到飽和，且不存在脫附現(xiàn)象。因此，吸附時間控制在60 min為宜。

圖7 活性炭吸附不同時間對直接黑19去除率的影響

3 結(jié)論

活性炭吸附直接黑19 的最佳條件為：活性炭目數(shù)200、用量0.9 g、pH 3.47、直接黑19 初始質(zhì)量濃度18.95 mg/L、吸附溫度38 ℃、吸附時間60 min。此時去除率可達到91.53%。