雷生煜，趙航航，沈 州，張 冰，席海朋，高偉峰，王彥民

(1.陜西理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001；2.秦巴山區(qū)生物資源綜合開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 漢中 723001)

鋸末對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附條件優(yōu)化

雷生煜，趙航航，沈 州，張 冰，席海朋，高偉峰，王彥民

(1.陜西理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001；2.秦巴山區(qū)生物資源綜合開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 漢中 723001)

本文以水熱KOH溶液處理后的楓香木鋸末為吸附材料，對(duì)溶液中的亞甲基藍(lán)染料進(jìn)行吸附去除。采用響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，獲得的最佳工藝條件為：吸附劑投加量0.24g，染料初始濃度33mg·L-1，時(shí)間193min，鋸末對(duì)亞甲基藍(lán)的去除率為98.87%。

鋸末；亞甲基藍(lán)；吸附；響應(yīng)曲面法

大多數(shù)有機(jī)染料具有高毒性，在環(huán)境中難以自然降解，由染料廢水引起的環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。吸附法是處理印染廢水的一種有效手段，活性炭、纖維樹脂及蒙脫石等是常用的吸附材料[1]。秸稈、蕎麥皮、棗核、玉米芯等農(nóng)林廢棄物[2-5]具有價(jià)格低廉、原材料來源廣等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過簡單處理即可用于染料吸附，因此受到關(guān)注。用酸、堿、表面活性劑等對(duì)農(nóng)林廢棄物進(jìn)行改性處理[6-8]，可進(jìn)一步提高材料的吸附性能。本研究用水熱KOH溶液處理?xiàng)飨隳句從?，制備的吸附材料用于吸附去除溶液中的亞甲基藍(lán)，采用響應(yīng)曲面法對(duì)吸附條件進(jìn)行了優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試劑

去離子水浸泡楓香木鋸末24h，淘洗鋸末至溶液無色，烘干，用尼龍篩篩分，稱取0.241～0.375mm的鋸末5.0g置于100mL聚四氟乙烯水熱反應(yīng)釜中，加入1.0mol·L-1的KOH溶液25mL，密封后置于烘箱中，140℃保持3h。待反應(yīng)釜冷卻，取出固體，用超純水洗滌至溶液無色，固體烘干后作為吸附材料。

稱取（2.0±0.0001）g亞甲基藍(lán)溶于500mL容量瓶，配制成4000mg·L-1的亞甲基藍(lán)儲(chǔ)備液。通過稀釋儲(chǔ)備液得到不同濃度的亞甲基藍(lán)模擬廢水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 單因素吸附實(shí)驗(yàn)

考察吸附劑投加量、染料初始濃度、吸附時(shí)間這3個(gè)因素對(duì)亞甲基藍(lán)去除率的影響。在100 mL具塞碘量瓶中加入50mL一定濃度的亞甲基藍(lán)溶液，調(diào)節(jié)pH至7，加入一定量經(jīng)過處理的鋸末，30℃恒溫震蕩吸附一定時(shí)間，取上層清液測定吸光度。

1.2.2 響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

對(duì)上述3個(gè)因素進(jìn)一步采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行優(yōu)化，取值范圍分別為：投加量0.05～0.25g，吸附時(shí)間10～240min，初始濃度10～200mg·L-1，以去除率為響應(yīng)值進(jìn)行17組實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見2.4節(jié)。

1.2.3 亞甲基藍(lán)濃度測定及計(jì)算公式

配制濃度為2、6、10、14、18 mg·L-1的亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液，用可見分光光度計(jì)測定吸光度（亞甲基藍(lán)特征吸收波長λ=664 nm），繪制濃度-吸光度曲線，得到擬合方程：

亞甲基藍(lán)去除率計(jì)算公式：

式中：Y為亞甲基藍(lán)去除率，%；c0、c分別為吸附前、后亞甲基藍(lán)濃度，mg·L-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋸末投加量對(duì)去除率的影響

鋸末投加量對(duì)亞甲基藍(lán)去除率的影響見圖1。鋸末投加量在0.05～0.15g，亞甲基藍(lán)去除率增加較快，由85.5%增加到96.5%；超過0.15g，去除率增長緩慢，吸附趨于飽和。取0.15g為最佳投加量，此時(shí)去除率為96.5%。

圖1 鋸末投加量對(duì)亞甲基藍(lán)去除率影響Fig.1 Effect of dosage on removal efficiency

2.2 初始濃度對(duì)去除率的影響

亞甲基藍(lán)初始濃度對(duì)去除率的影響見圖2。10mg·L-1時(shí)亞甲基藍(lán)去除率最高，為97.82%，去除率隨濃度增加而降低。濃度為100mg·L-1時(shí)的去除率為95.74%，與50mg·L-1時(shí)相比，減少了0.58%，但比150mg·L-1時(shí)高出1.05%。0.15g鋸末處理濃度為100mg·L-1的亞甲基藍(lán)廢水較適宜。

圖2 初始濃度對(duì)亞甲基藍(lán)去除率影響Fig.2 Effect of initial concentration on removal efficiency

2.3 吸附時(shí)間對(duì)去除率的影響

吸附時(shí)間對(duì)亞甲基藍(lán)去除率的影響見圖3。0～10min內(nèi)去除率增長迅速，10min的去除率達(dá)到96%，說明鋸末對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附很迅速，前10min內(nèi)基本完成。30min后，去除率增加緩慢，120min后吸附基本達(dá)到平衡，去除率基本穩(wěn)定在98.3%。

圖3 吸附時(shí)間對(duì)亞甲基藍(lán)去除率影響Fig.3 Effect of contact time on removal efficiency

2.4 響應(yīng)曲面法對(duì)吸附工藝參數(shù)優(yōu)化

進(jìn)一步對(duì)吸附劑投加量（A）、吸附時(shí)間（B）、染料初始濃度（C）3個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見表1。利用Design-Expert 5.0.8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各因素對(duì)響應(yīng)曲面的回歸模型方程：

圖4顯示去除率的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值較好地落在一條直線上，說明該模型可以用于分析和預(yù)測該吸附過程。回歸方程方差分析見表2。表2中模型的P＜0.0001，差異高度顯著，說明模型適合。校正系數(shù)R2

Adj=0.9956，說明模型能解釋99.56%響應(yīng)值的變化，且擬合度良好。A、B、C的P＜0.0001，說明投加量、時(shí)間、濃度對(duì)亞甲基藍(lán)吸附有顯著影響，3個(gè)因素的影響順序?yàn)椋和都恿浚緯r(shí)間＞濃度。

圖4 亞甲基藍(lán)去除率實(shí)際值與預(yù)測值比較Fig.4 The experimental data versus the predicted data of normalized removal of dye.

圖5是響應(yīng)值對(duì)3個(gè)因素構(gòu)成的響應(yīng)曲面圖。圖5（a）、（b）曲面較陡峭，說明濃度和時(shí)間、濃度和投加量的交互作用較強(qiáng)，圖5（c）曲面較平緩，說明投加量和時(shí)間交互作用較弱。圖5（a）中，固定投加量，延長吸附時(shí)間有利于亞甲基藍(lán)去除，但在同一吸附時(shí)間下，去除率隨初始濃度增大而降低，兩者變化趨勢不同，表明增加吸附時(shí)間和降低初始濃度均能提高亞甲基藍(lán)去除率。圖5（b）中，固定吸附時(shí)間，去除率隨投加量增加而增加，在同一投加量下，去除率隨初始濃度增加而降低，表明增加投加量和降低染料濃度才能提高亞甲基藍(lán)的去除率。圖5（c）中，固定初始濃度，增加投加量和延長時(shí)間均有利于提高亞甲基藍(lán)去除率。

表1 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.1 Design and results of the central composite designs

表2 回歸方程方差分析Tab.2 Analysis of variance (ANOVA) for regression equation

圖5 實(shí)驗(yàn)因素交互影響去除率曲面圖Fig.5 Response surfaces for the central composite designs

通過響應(yīng)曲面分析優(yōu)化，得到鋸末對(duì)亞甲基藍(lán)吸附的最佳工藝條件為：鋸末投加量0.24g，吸附時(shí)間192.93min，初始濃度33.38mg·L-1。為便于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)操作，條件修正為：投加量0.24g，吸附時(shí)間193min，初始濃度33 mg·L-1，進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，亞甲基藍(lán)去除率均值為98.87%，誤差1.12%。

3 結(jié)論

單因素實(shí)驗(yàn)表明，鋸末對(duì)亞甲基藍(lán)的最佳吸附條件為：鋸末投加量0.15g，染料初始濃度100mg·L-1，吸附時(shí)間120min，去除率為96.47%。采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化得到的最佳條件為：鋸末投加量0.24g，染料初始濃度33mg·L-1，吸附時(shí)間193min，去除率為98.87%。

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Optimization for Adsorption of Methylene Blue with Sawdust

LEI Shengyu, ZHAO Hanghang, SHEN Zhou, ZHANG Bin, XI Haipeng, GAO Weifeng, WANG Yanmin
(1.School of Chemistry and Environmental Science, Shaanxi Sci-Tech Universi ty, Hanzhong 723001, China; 2. Qinling-Bashan Mountains Bioresources Comprehensive Development C.I.C of Shaanxi Province, Hanzhong 723001, China)

In this study, maple wood sawdust which treated with hydrothermal KOH solution, was used to remove methylene blue from dye wastewater. Optimization using central composite design (CCD) for adsorption of dye was carried out. Under the optimization conditions as dosage of adsorbent was 0.24g, initial concentration of dye was 33 mg/L, contact time was 193 min, the removal effi ciency was 98.87%.

sawdust; methylene blue; adsorption; response surface methodology

X 703.1

A

1671-9905(2017)03-0036-04

陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2241)；秦巴山區(qū)生物資源綜合開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心自然科學(xué)項(xiàng)目[QBXT-Z(P)-15-17]

王彥民，博士，講師，主要從事固體廢棄物資源化利用研究，E-mail: wangyanmin_207@163.com

2017-01-11