玉米芯基多孔炭對羅丹明B的吸附性能研究

徐瑩文,萬玲俐,高 燁

(長春師范大學化學學院,吉林 長春 130032)

有機染料在印染工業和造紙工業中有著廣泛應用[1-2]。有機染料廢水的大量排放帶來了一定的環境問題,同時會對人類健康產生一定的危害[3-6]。羅丹明B是一種高色度、低成本的有機染料,廣泛應用于紡織工業。羅丹明B具有潛在的基因毒性和致癌活性,廢水中羅丹明B染料的去除勢在必行。吸附技術成本低、去除效率高,是目前染料廢水處理工藝中較為經濟有效的方法[7-8]。生物質基多孔炭是一種具有比表面積大、孔道結構發達等多種優點的多孔物質[9],可應用于吸附分離、多相催化、傳感器、儲能等領域[10-13]。

本研究選用玉米芯基多孔炭為吸附劑,探究各吸附條件對羅丹明B染料吸附性能的影響。本研究為生物質基多孔炭的吸附應用提供了一定理論基礎,為高效、深度去除廢水中的羅丹明B染料提供了可行性借鑒。

1 實驗部分

1.1 材料、試劑與儀器

玉米芯基多孔炭為實驗室自制(碳酸鉀活化法[14]);羅丹明B購于成都艾科達化學試劑有限公司;混合磷酸鹽、硼砂購于杭州繁沃科技有限公司;無水乙醇、氫氧化鈉和鹽酸均購于北京化工廠。以上所用化學試劑均為分析純。

SHZ-85S型氣浴恒溫振蕩器(江蘇金壇大地自動化儀器廠);SHY-2A型恒溫振蕩器(江蘇金壇大地自動化儀器廠);FA1204N電子天平(上海菁海儀器有限公司);G9823A型紫外可見分光光度計(安捷倫科技有限公司);pH-3S型精密酸度計(南京桑力電子設備廠)。

1.2 實驗方法

將一定質量的玉米芯基多孔炭加入到10 mL一定質量濃度的羅丹明B染料溶液中,改變吸附溫度和pH,在恒溫振蕩器中進行震蕩,吸附一定時間后對吸附溶液進行過濾,測得濾液吸光度,并求得吸附量qt。計算公式如下:

(1)

其中,c0是初始質量濃度,ct是多孔炭對其吸附t時間后的質量濃度,單位均為mg·L-1;m為玉米芯基多孔炭的質量,單位為 g;V為羅丹明B染料的體積,單位為L。

2 結果與討論

2.1 標準曲線的確定

用紫外可見分光光度計測得羅丹明B染料的λmax=553 nm,在此波長下測其吸光度,得到相應的標準工作曲線,如圖1所示,羅丹明B的質量濃度與吸光度在一定范圍內具有良好的線性關系。

圖1 羅丹明B的標準工作曲線

2.2 羅丹明B的初始質量濃度對吸附性能的影響

在溫度298.15 K、pH=7時,0.02 g玉米芯基多孔炭吸附羅丹明B染料時間為60 min,羅丹明B染料的初始質量濃度與吸附量之間的關系如圖2所示。由圖2可知,在一定質量濃度范圍內吸附量隨質量濃度的增加而增大,增加到540 mg·L-1以后,吸附量不再增大。隨著羅丹明B初始質量濃度的增加,羅丹明 B分子增多,與吸附劑間的傳質阻力變小,從而使吸附量快速上升;質量濃度繼續增加使得羅丹明B分子之間的競爭力加大,羅丹明B分子很難進入多孔炭內部,從而吸附達到飽和狀態,吸附量趨于平緩[15]。540 mg·L-1是最佳吸附初始質量濃度。

圖2 羅丹明B的質量濃度與吸附量的關系曲線

2.3 吸附時間對吸附性能的影響

在溫度298.15 K、pH=7時,0.02 g玉米芯基多孔炭對初始質量濃度為540 mg·L-1的羅丹明B染料進行吸附,吸附量隨時間的變化曲線如圖3所示。由圖3可知,吸附時間在0～18 min時,吸附量迅速增大;吸附時間在18～30 min時,吸附量變化平緩;吸附時間為30 min時,吸附量達到最大。吸附時間較短時,羅丹明B分子迅速占據玉米芯基多孔炭表面的大量活性位點,吸附量迅速增加;隨著吸附時間的增大,多孔炭表面基本達到飽和,羅丹明B分子需要克服更大阻力到達多孔炭內部,因此吸附量變化較小趨于平衡。吸附時間30 min為最佳吸附時間。

圖3 吸附時間與吸附量的關系曲線

2.4 玉米芯基多孔炭質量對吸附性能的影響

在溫度298.15 K、pH=7、吸附時間30 min和初始質量濃度540 mg·L-1時,吸附量隨玉米芯基多孔炭質量的變化曲線如圖4所示。由圖4可知,隨著多孔炭質量的增加,吸附量呈明顯下降趨勢。玉米芯基多孔炭質量為0.02 g時,吸附量達到最大。因此,最佳吸附玉米芯基多孔炭質量為0.02 g。

圖4 多孔炭質量與吸附量的關系曲線

2.5 溫度對吸附性能的影響

在pH=7時,0.02 g玉米芯基多孔炭吸附初始質量濃度為540 mg·L-1的羅丹明B染料時間為30 min,吸附量與溫度的關系曲線如圖5所示。由圖5可知,吸附量隨著溫度的升高先上升后平緩,達到吸附平衡時的溫度為338.15 K。升高溫度使得羅丹明B分子移動速度加快,使羅丹明B分子具有流動性,吸附量增加;但溫度升高同時會加快多孔炭的解吸速率,達到一定溫度時,多孔炭的解析與吸附過程兩者達到平衡,以至吸附量趨于平緩。因此,最佳吸附溫度為338.15 K。

2.6 pH對吸附性能的影響

在溫度338.15 K、0.02 g玉米芯基多孔炭、吸附時間30 min和初始質量濃度540 mg·L-1條件下,吸附量與pH的關系曲線如圖6所示,隨著pH的增加,吸附量變化較小。多孔炭表面可能同時存在酸性、堿性兩種官能團,pH對吸附性能影響不大,因此,吸附量保持相對穩定。

圖6 pH與吸附量的關系曲線

3 機理分析

3.1 吸附動力學機理分析

利用動力學模型[16]對吸附機理進行初步探討,探究其吸附過程。

準一級吸附動力學方程為:

(2)

其中,qt為吸附時間t時的吸附量,qe為達到平衡時的吸附量,單位均為 mg·g-1;k1為準一級速率常數,單位為min-1;t為吸附時間,單位為 min。

準二級吸附動力學方程為:

(3)

其中,k2為準二級速率常數,單位為 g·mg-1·min-1。

表1 玉米芯基多孔炭對羅丹明B的吸附動力學擬合參數

圖7 準一級動力學擬合曲線

圖8 準二級動力學擬合曲線

3.2 吸附熱力學分析

吸附機理可根據自由能、自由熵、自由焓的改變值來推測。以下公式可確定熱力學函數值[17]:

ΔG=-RTlnKC,

(4)

其中,KC是平衡常數;R是氣體常數;T是溫度,單位為K。

使用Van’t Hoff方程計算吸附熱力學參數:

(5)

lnKC對1/T的擬合結果如圖9所示,吸附熱力學擬合參數如表2所示。由圖9可知,不同溫度下吉布斯自由能的變化值均小于零,說明玉米芯基多孔炭對羅丹明B吸附過程具有可行性和自發性。隨著溫度的增加,ΔG的數值越小,該結果表明高溫有利于玉米芯基多孔炭對廢水中羅丹明B的吸附。通過計算可知,ΔH=16.91 KJ·mol-1,ΔS=76.41 J·mol-1·K-1,ΔH與ΔS均大于零。玉米芯基多孔炭對羅丹明B的吸附是一個自發的吸熱過程。

表2 不同溫度對羅丹明B的吸附熱力學參數

圖9 熱力學擬合曲線

4 結論