氧化鐵改性木質(zhì)素基活性炭的吸附性能

田 龍

氧化鐵改性木質(zhì)素基活性炭的吸附性能

田 龍

（南陽(yáng)師范學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473061）

為了開發(fā)利用木質(zhì)素資源，利用木質(zhì)素制備活性炭，并通過氧化鐵改性該木質(zhì)素基活性炭，考察改性前后活性炭的吸附性能的變化，分析了兩種活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，利用Langmuir吸附等溫線模型來表述活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附行為。結(jié)果表明：Langmuir等溫模型擬合結(jié)果較好。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型符合改性木質(zhì)素基活性炭吸附亞甲基藍(lán)的動(dòng)力學(xué)行為。氧化鐵改性后的木質(zhì)素基活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)具備較好的吸附性。

木質(zhì)素；活性炭；氧化鐵；改性；吸附

近年來，染料的用途越來越廣泛，2021年全球使用的染料大于8×105t，這些染料的10%～25%作為廢物排放到水體中，由于它們難以降解，且存在致癌和致突變性，因而在造成環(huán)境污染的同時(shí)，也嚴(yán)重威脅人類自身的健康[1-3]。

活性炭空隙結(jié)構(gòu)豐富且比表面積巨大，是極具前景的吸附材料，加之價(jià)格低廉，被廣泛應(yīng)用于污染物的去除[4]。常規(guī)活性炭往往難以達(dá)到理想的處理效果，在實(shí)際應(yīng)用中需對(duì)活性炭進(jìn)行改性以提高其性能。

水合氧化鐵作為可再生吸附劑，具有原料來源廣、成本低的優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見，以活性炭為載體負(fù)載氧化鐵，能夠顯著提高活性炭的吸附量，更好地脫除污染物。本文對(duì)氧化鐵改性過后的木質(zhì)素基活性炭吸附亞甲基藍(lán)的性能進(jìn)行研究，從動(dòng)力學(xué)模型角度來分析活性炭吸附法的動(dòng)力學(xué)特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

JA2003電子天平，上海舜宇恒平儀器有限公司；UV-2000紫外可見分光光度計(jì)，龍尼柯儀器有限公司；CJJ78-1磁力加熱攪拌器，金壇市城東新瑞儀器廠；DHG-9240A電熱鼓風(fēng)烘箱，上海一恒科技有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

木質(zhì)素，南陽(yáng)市東方紙業(yè)有限公司；磷酸等化學(xué)試劑，分析純，天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為自制去離子水。

1.2 木質(zhì)素基活性炭的制備

取5.000 g的木質(zhì)素，添加55%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磷酸，充分?jǐn)嚢韬螅o置30 min，低溫干燥后，將木質(zhì)素置于馬弗爐中，在600 ℃下活化2 h，取出后用熱水洗至中性，烘干，粉碎，過40目（0.63 mm）篩，備用。

1.3 木質(zhì)素基活性炭的改性

用去離子水沖洗上述木質(zhì)素基活性炭后，浸泡 4 h，過濾，干燥至恒重。稱量2 g活性炭放入 30 mL（過量）氨水里，30 ℃水浴攪拌 30 min。稱量負(fù)載比例 1∶1（質(zhì)量比）所需的Fe(NO3)3固體 8.08 g，將其溶解于 50 mL水中，形成Fe(NO3)3溶液。將溶解好的Fe(NO3)3溶液滴入裝有活性炭的氨水里，滴定速度控制在每秒0.5～1 滴，將Fe(NO3)3溶液全部滴定完，停止攪拌，得渾濁液。將渾濁液陰干熟化12 h，沉淀經(jīng)水洗、蒸氨，70 ℃真空干燥12 h，得氧化鐵與活性炭質(zhì)量比為 1∶1 的改性活性炭。

1.4 亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

取2、4、6、8、10、12 mg·L-1的亞甲基藍(lán)溶液各200 mL，置于燒杯中，分別取10 mL過濾，濾液以去離子水為對(duì)照，在660 nm處測(cè)定亞甲基藍(lán)溶液的吸光值。

1.5 吸附性測(cè)試方法

取100 mL亞甲基藍(lán)溶，置于錐形瓶中，分別改變改性活性炭用量、反應(yīng)溫度、亞甲基藍(lán)初始濃度等因素，在磁力加熱攪拌器上加熱并攪拌一定時(shí)間，移液管取溶液中的上清液少許，過濾后取適量濾液于比色皿中，測(cè)定吸光度，計(jì)算其質(zhì)量濃度，再依據(jù)式（1）、式（2）得到活性炭的吸附量和去除率[5]。

=(0-e)/0×100%。 （1）

=× (0-e)/。 （2）

其中：—去除率，%；

—吸附量，mg·g-1；

—溶液體積，L；

—改性活性炭的投放量，g；

0—亞甲基藍(lán)的初始質(zhì)量濃度，mg·L-1；

e—吸附完之后亞甲基藍(lán)的質(zhì)量濃度，mg·L-1。

1.6 改性活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附

1.6.1 吸附時(shí)間對(duì)吸附效率的影響

在25 ℃環(huán)境中，準(zhǔn)確稱取未改性活性炭和改性活性炭各30 mg，分別投入到100 mL20 mg·L-1亞甲基藍(lán)溶液內(nèi)，置于磁力加熱攪拌器上攪拌，分別在確定好的時(shí)間點(diǎn)取出來，過濾，檢測(cè)吸光度。

1.6.2 吸附劑用量對(duì)吸附效率的影響

25 ℃條件下，分別將10、20、30、40、50、 60 mg未改性活性炭加到20mg·L-1的100 mL亞甲基藍(lán)溶液中，置于磁力加熱攪拌器上，吸附時(shí)長(zhǎng)為 120 min，反應(yīng)結(jié)束靜置30 min后取10 mL溶液過濾，在660 nm的波長(zhǎng)下檢測(cè)其吸光度，得出結(jié)果后根據(jù)公式計(jì)算清除率，同樣步驟測(cè)定改性活性炭的投放量與吸附性能的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著吸附劑活性炭添加量的增大，去除率逐步增大，當(dāng)活性炭的量達(dá)到40 mg時(shí)，去除率趨于平穩(wěn)，由此得出當(dāng)活性炭的投放量達(dá)到一定數(shù)值的時(shí)候，溶液里的亞甲基藍(lán)已完全去除，可確定活性炭的適宜用量為 40 mg。

1.6.3 溫度對(duì)吸附效率的影響

精確配制5份20 mg·L-1亞甲基藍(lán)溶液各100 mL，然后稱取0.04 g未改性的活性炭分別投入上述亞甲基藍(lán)溶液中，在20、40、60、80、100 ℃的條件下在磁力攪拌器上攪拌120 min，反應(yīng)結(jié)束后靜置 30 min后過濾，測(cè)定吸光度值，根據(jù)已知公式計(jì)算其清除率，同樣的步驟，重新實(shí)驗(yàn)測(cè)定改性活性炭在不同溫度下的吸附表現(xiàn)。

1.6.4 吸附等溫線試驗(yàn)

先確定活性炭的投放量為40 mg，在25 ℃條件下，將稱量好的活性炭投入到100 mL亞甲基藍(lán)初始質(zhì)量濃度為5、10、15、20、25、30 mg·L-1的溶液中，反應(yīng)120 min后，取出適量溶液過濾，檢測(cè)溶液吸光度，計(jì)算清除率，同樣步驟測(cè)定改性活性炭投放到不同質(zhì)量濃度亞甲基藍(lán)溶液中的吸光度[6]。Langmuir 吸附等溫線模型[7]方程見式（3），F(xiàn)reundlich 吸附等溫線模型[8]方程見式（4）。

e/e= 1/1m+e/m。 （3）

=F1/。 （4）

式中：m—活性炭的平衡吸附量，mg·g-1；

1—Langmuir 常數(shù)，L·mg-1；

F—Freundlich 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，L·mg-1；

— Freundlich 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.7 吸附動(dòng)力學(xué)

對(duì)活性炭吸附進(jìn)程進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)研究，其目的是用來表述吸附劑吸附亞甲基藍(lán)的速率快慢。首先準(zhǔn)備100 mL的 20 mg·L-1的亞甲基藍(lán)溶液，精確稱取未改性的活性炭0.04 g置于其中，在25 ℃條件下用磁力加熱攪拌器分別振蕩，不同時(shí)間內(nèi)開始吸附試驗(yàn)，直到吸附達(dá)到平衡。再將吸附過后的亞甲基藍(lán)溶液靜置30 min，取溶液的上層清液部分過濾，在660 nm下測(cè)定溶液吸光度，并計(jì)算吸附量，做出吸附動(dòng)力學(xué)曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線

以吸光度為縱坐標(biāo)、亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，得出亞甲基藍(lán)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。由圖1可以看出，亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度與其吸光度成正比關(guān)系，回歸方程為=0.075 8+0.263 5，2=0.999 5，擬合度較高。

圖1 亞甲基藍(lán)溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 吸附時(shí)間對(duì)吸附效率的影響

時(shí)間對(duì)活性炭吸附亞甲基藍(lán)的影響見圖2。由圖2可以看出，兩種活性炭的去除率和吸附量都會(huì)隨著吸附時(shí)長(zhǎng)的增加而逐步上升。在0～35 min內(nèi)，吸附速率變化很大，當(dāng)時(shí)間達(dá)到40 min后吸附趨于穩(wěn)定，120 min后整個(gè)吸附體系基本達(dá)到平衡。

圖2 吸附時(shí)間對(duì)亞甲基藍(lán)清除率的影響

2.3 吸附劑用量對(duì)吸附效率的影響

投加量對(duì)亞甲基藍(lán)清除率的影響見圖3。由圖3可以看出，當(dāng)活性炭投加量逐步增加時(shí)，亞甲基藍(lán)清除率也會(huì)變得增加，特別是在10～30 mg之間，清除率增大尤為顯著。當(dāng)活性炭的投放量為 40 mg時(shí)，亞甲基藍(lán)清除率達(dá)到最大，此時(shí)吸附接近平衡，因此活性炭的最佳投放量可確定為40 mg。

圖3 投加量對(duì)亞甲基藍(lán)清除率的影響

2.4 溫度對(duì)吸附效率的影響

溫度對(duì)亞甲基藍(lán)清除率的影響如圖4所示。

由圖4可以看出，升高溫度可以加快亞甲基藍(lán)分子的移動(dòng)速度[8]，但總體來看，溫度對(duì)木質(zhì)素基活性炭的吸附性能的影響不大，當(dāng)溫度達(dá)到40 ℃時(shí)，清除率基本不再發(fā)生變化。此外，圖4表明經(jīng)過改性處理的活性炭吸附性能顯著增強(qiáng)。

圖4 溫度對(duì)亞甲基藍(lán)清除率的影響

2.5 吸附等溫線試驗(yàn)

將本試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與等溫吸附模型的線性方程擬合，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，活性炭的吸附與Langmuir模型擬合出的線性關(guān)系較好，所以用Langmuir模型來描述亞甲基藍(lán)活性炭表面等溫吸附行為較為合適[9]。

表1 等溫方程擬合情況

2.6 吸附動(dòng)力學(xué)

表2是準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)，可以看出，由準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合的線性關(guān)系較好，未改性活性炭及經(jīng)過改性的活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附過程更接近二級(jí)反應(yīng)過程，線性決定系數(shù)接近1。

表2 準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)

3 結(jié)論

用氧化鐵對(duì)木質(zhì)素基活性炭進(jìn)行改性，考察了改性前后的活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附特性，發(fā)現(xiàn)該吸附過程契合Langmuir等溫式和Lagergren準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

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Adsorption Properties of Lignin Based Activated Carbon Modified by Ferric Oxide

（Nanyang Normal University, Nanyang Henan 473061, China）

In order to develop and utilize lignin resources, lignin was used to prepare activated carbon, and the lignin based activated carbon was modified by iron oxide. The change of adsorption performance of the activated carbon before and after modification was investigated, the adsorption kinetics of methylene blue on the two kinds of activated carbon was analyzed, and the adsorption behavior of methylene blue on the activated carbon was described by Langmuir adsorption isotherm model. The results showed that Langmuir isotherm model fitted well. The quasi second order kinetic model was consistent with the kinetic behavior of methylene blue adsorption on modified lignin based activated carbon. The results showed that the lignin based activated carbon modified by ferric oxide had better adsorption capacity for methylene blue.

Lignin; Activated carbon; Ferric oxide; Modification; Adsorbent

TQ424.1

A

1004-0935（2023）09-1283-04

南陽(yáng)師范學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2020STP010）。

2022-09-28

田龍（1977-），男，河南省南陽(yáng)市人，副教授，博士，2013年畢業(yè)于鄭州大學(xué)，研究方向：生物質(zhì)資源開發(fā)利用。