張德謹(jǐn) 朱家寶 謝 永 史洪偉 王紅艷

(宿州學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院, 安徽 宿州 234000)

染料廢水是水體污染的主要來源之一，亞甲基藍(lán)是染料廢水的主要成分之一。處理廢水中的亞甲基藍(lán)，可以采用物理處理法(如吸附法、過濾法、膜分離法、混凝法等)，或化學(xué)處理法、生化處理法。物理處理法中的吸附法具有不需添加其他藥劑且成本低、效果好、操作簡單、無污泥產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于印染廢水處理[1-2]?；钚蕴孔鳛橐环N常見的吸附劑，具有性質(zhì)穩(wěn)定、易回收及比表面積大等特點(diǎn)[3]，被廣泛用于污水處理、大氣污染防治等領(lǐng)域。我們通過實(shí)驗(yàn)，利用微波輔助技術(shù)對活性炭進(jìn)行改性，并測試了吸附溫度、吸附時(shí)間及溶液pH等因素對改性活性炭吸附亞甲基藍(lán)的效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)所用儀器主要有DZF-6050型真空干燥箱、721型紫外-可見分光光度計(jì)、MCR-3型微波反應(yīng)器、79-1型磁力攪拌器。實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑均為分析純。

1.1 制備改性活性炭

(1) 測試微波功率對活性炭吸附性能的影響。取5 g活性炭，置于微波反應(yīng)器中。設(shè)定溫度為 70 ℃，時(shí)間為5 min，分別在微波功率100、200、300、400、500 W條件下進(jìn)行改性。

(2) 測試溫度對活性炭吸附性能的影響。取 5 g活性炭，置于微波反應(yīng)器中。微波功率為200 W，微波時(shí)間5 min，分別在溫度為50、60、70、80、90 ℃條件下進(jìn)行改性。

1.2 繪制亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線

取亞甲基藍(lán)粉末0.025 g溶解于水，移入50 mL的容量瓶，定容，配制成系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。以標(biāo)準(zhǔn)溶液中亞甲基藍(lán)的濃度(mgL)為縱坐標(biāo)，吸光度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。得到的線性回歸方程為C=5.511 28A-0.428 6，R2=0.997 62，表明在該濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

1.3 改性活性炭吸附實(shí)驗(yàn)

(1) 測試吸附溶液的pH對改性活性炭吸附效果的影響。取改性活性炭0.5 g置于100 mL錐形瓶中，加入濃度為5.013 mgL的亞甲基藍(lán)溶液 25 mL。然后，將吸附溶液的pH調(diào)節(jié)為2、4、6、8、10、12等6種狀態(tài)，分別在45 ℃下吸附60 min。

(2) 測試溫度對改性活性炭吸附效果的影響。取改性活性炭0.5 g置于100 mL錐形瓶中，加入濃度為5.013 mgL的亞甲基藍(lán)溶液25 mL，將吸附溶液的pH調(diào)節(jié)為10。設(shè)置5種吸附溫度，即25、35、45、55、65 ℃。在每種溫度下，吸附1 h。

(3) 繪制靜態(tài)吸附曲線。取改性活性炭0.5 g置于100 mL錐形瓶中，加入濃度為5.013 mgL的亞甲基藍(lán)溶液25 mL，將吸附溶液的pH調(diào)節(jié)為10，在45 ℃下吸附。定時(shí)測定溶液中亞甲基藍(lán)的濃度，繪制靜態(tài)吸附曲線。

1.4 計(jì)算吸附率

對改性活性炭吸附亞甲基藍(lán)的效果，用吸附率來衡量。吸附率的計(jì)算公式為：

E=(C0-Ce)C0×100

(1)

式中：E表示吸附率；C0和Ce分別表示吸附前和吸附結(jié)束時(shí)溶液中亞甲基藍(lán)的濃度，單位為mgL。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微波功率的影響

微波功率對活性炭吸附性能的影響見圖1。由圖1可知，隨著微波功率的增大，活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附率是先增大而后減小。在微波功率為200 W時(shí)，活性炭對于亞甲基藍(lán)的吸附性能最好，吸附率達(dá)到最大值。這可能是由于過大的微波功率會破壞活性炭的表面結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致吸附率下降。因此，選擇最佳的微波功率為200 W。

圖1 微波功率對活性炭吸附效果的影響

改性溫度對活性炭吸附性能的影響見圖2。由圖2可知，隨著溫度的升高，活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附率是先增大而后減小。在溫度為70 ℃時(shí)，吸附率達(dá)到最大值，為62.15%。因此，選擇最佳改性溫度為70 ℃。

2.3 吸附溶液pH的影響

吸附溶液的pH因素對改性活性炭吸附效果的影響見圖3。由圖3可知，隨著溶液pH值的增大，改性活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附率是先增大而后減小。溶液的pH為10時(shí)，吸附率最大。因此，選擇吸附溶液的pH應(yīng)為10。

圖2 改性溫度對活性炭吸附效果的影響

圖3 溶液pH對改性活性炭吸附效果的影響

吸附溫度對改性活性炭吸附效果的影響見圖4。由圖4可知，隨著吸附溫度的升高，改性活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附率先升高而后下降，在吸附溫度為45 ℃時(shí)吸附率達(dá)到最高。因此，確定改性活性炭吸附亞甲基藍(lán)的溫度為45 ℃。

圖4 吸附溫度對改性活性炭吸附效果的影響

改性活性炭吸附亞甲基藍(lán)的靜態(tài)吸附曲線見圖5。由圖5可知，在吸附時(shí)間達(dá)到60 min后，改性活性炭吸附亞甲基藍(lán)的吸附率趨于平衡。因此，確定吸附時(shí)間為60 min。

圖5 靜態(tài)吸附曲線

3 關(guān)于吸附動力學(xué)模型

目前，對于吸附動力學(xué)的研究主要有準(zhǔn)一級動力學(xué)模型和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型。準(zhǔn)一級動力學(xué)模型和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別如式(2)和式(3)[4-5]。

(2)

(3)

式中：qt、qe分別為在t時(shí)刻和在吸附達(dá)到平衡時(shí)，吸附劑(本文指改性活性炭)吸附的吸附質(zhì)(本文指亞甲基藍(lán))的量(單位為mgg)；k1表示準(zhǔn)一級動力學(xué)速率常數(shù)，單位為min-1；k2表示準(zhǔn)二級動力學(xué)常數(shù)，單位為g(mg·min)。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩種動力學(xué)模型擬合結(jié)果如圖6和圖7所示，吸附動力學(xué)方程及動力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 吸附動力學(xué)參數(shù)

由表1可知，準(zhǔn)二級動力學(xué)模型的線性相關(guān)系數(shù)(R2)大于準(zhǔn)一級動力學(xué)模型。這說明改性活性炭吸附亞甲基藍(lán)的過程，更適合采用準(zhǔn)二級動力學(xué)模型來描述。

圖6 準(zhǔn)一級動力學(xué)模型擬合

圖7 準(zhǔn)二級動力學(xué)模型擬合

4 結(jié) 論

(1) 對染料廢水中的亞甲基藍(lán)，可采用活性炭吸附法來處理。制備改性活性炭時(shí)，微波功率宜為200 W，改性溫度宜為70 ℃。

(2) 應(yīng)用改性活性炭吸附亞甲基藍(lán)，實(shí)現(xiàn)最佳吸附效果的條件為：吸附溶液的pH為10，吸附溫度為45 ℃，吸附時(shí)間為60 min。

(3) 根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與準(zhǔn)一級動力學(xué)模型相比，準(zhǔn)二級動力學(xué)模型更適合用來描述改性活性炭吸附亞甲基藍(lán)的過程。