楊 岳，陳珊媛，關(guān)成立，曾欣慧，龔秋圓

(陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 陽江 529566)

2014年，我國工業(yè)廢水排放量達189.5億噸，主要集中在造紙印刷、化工、紡織和鋼鐵等行業(yè)，其中紡織印染行業(yè)廢水占比約為11.3%，是我國重點污染行業(yè)之一[1]。該行業(yè)廢水具有高污染特性，其生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生超過8000種對環(huán)境帶來破壞的化學(xué)品。而2015年4月16日發(fā)布實施的《水污染防治行動計劃》中將印染行業(yè)確定為專項整治十大重點行業(yè)之一，對該行業(yè)廢水處理目標提出了更為嚴格的要求[2]。

在眾多染料中，甲基橙是一種水溶性偶氮染料，被廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、印染、制藥和食品等工業(yè)，在染料廢水中具有一定的代表性。同時，甲基橙也是典型的致癌致畸變有害物質(zhì)，對環(huán)境和人體危害巨大[3]。目前，降解甲基橙的方法多是利用半導(dǎo)體材料的光催化效應(yīng)或多種化學(xué)物理綜合作用以及生物凈化法等[4-5]。但這些技術(shù)所需設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜且處理效率較低，不符合現(xiàn)有水污染防治相關(guān)指標要求。考慮到吸附工藝的低成本、效果好及吸附劑材料的發(fā)展與改進等因素，本文選用第三代活性炭材料即活性炭纖維ACF對甲基橙廢水進行吸附處理研究[6-8]。ACF相對于傳統(tǒng)的第一代及第二代活性炭而言，具有更大的比表面積及更發(fā)達的微孔結(jié)構(gòu)，吸附容量大，且ACF便于回收再生利用，符合現(xiàn)行的環(huán)保理念，是一種優(yōu)良的炭基吸附材料。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

試劑：甲基橙，汕頭市西隴化工廠有限公司；活性炭纖維，江蘇蘇通碳纖維有限公司。

儀器：T6新世紀紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；DGG-9140B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司；FA2204B型電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；JB-3型定時恒溫磁力攪拌器，上海智光儀器儀表有限公司； HY-6型調(diào)速多用振蕩器，國華電氣有限公司。

1.2 活性炭纖維ACF的預(yù)處理

為凈化活性炭纖維ACF表面的殘留物質(zhì)，將其裁剪成尺寸為15 mm×15 mm的方塊，在均勻攪拌狀態(tài)下用蒸餾水浸泡30 min，再晾干，密封后保存于干燥皿中，備用。

1.3 吸附等溫線的測定

配制濃度為100～600 mg·L-1的甲基橙模擬廢水，在25、35和45 ℃下，取100 mL不同濃度的甲基橙廢水，分別加入0.1 g改性后的活性炭纖維，恒溫攪拌一定時間，待吸附平衡后快速離心，用紫外-可見分光光度計在最大吸收波長465 nm處測定溶液的吸光度。吸附平衡濃度Ce可根據(jù)甲基橙標準曲線計算得到，平衡吸附量qe可由下式計算。

qe=(C0-Ce)×V/m

(1)

其中，qe為平衡吸附量，mg·g-1；C0為模擬廢水的初始濃度，mg·L-1；Ce為模擬廢水的吸附平衡濃度，mg·L-1；m為活性炭纖維ACF的質(zhì)量，g；V為所配置的廢水體積，L。

1.4 吸附動力學(xué)測定

取兩份100 mg·L-1的甲基橙模擬廢水100 mL，分別加入0.1 g活性炭纖維和1 g顆?；钚蕴?，分別在25、35和45 ℃下，攪拌，每隔10 min取樣一次，快速離心過濾后，在最大吸收波長465 nm處利用紫外可見分光光度計測定取樣溶液的吸光度，并根據(jù)標準曲線確定對應(yīng)的濃度。改性ACF對甲基橙吸附率η可定義為：

(2)

式中：C0為溶液初始濃度，mg·L-1；Ct為取樣溶液濃度，mg·L-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附等溫線

按照上述1.3的實驗方法，可得到活性炭纖維ACF對甲基橙的吸附等溫線的實驗數(shù)據(jù)，如圖1所示。由圖1可知，在甲基橙相對低濃度100～300 mg·L-1范圍內(nèi)，ACF的吸附量幾乎不受水溫影響，而在相對高濃度400～600 mg·L-1范圍內(nèi)，ACF吸附量隨水溫的升高而增大。并且，3種水溫條件下，ACF吸附量均隨初始濃度的增大而增大，其增大幅度則隨初始濃度的增大而有所下降。

圖1 吸附等溫線

鑒于吸附等溫線是研發(fā)吸附體系的基本要素，將表1中的實驗數(shù)據(jù)分別與Langmuir吸附模型公式(3)和Freundlich吸附模型公式(4)進行擬合，擬合結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

Ce/qe=1/KLqm+Ce/qm

(3)

lnqe=lnKF+(1/n)lnCe

(4)

式中：KL為Langmuir平衡常數(shù)，L·mg-1；qm為單分子層飽和吸附量，mg·g-1；KF為Freundlich平衡常數(shù)，(mg·g-1)·(L·g-1)1/n；n為與吸附能力有關(guān)的常數(shù)。

根據(jù)圖2與圖3可得到Langmuir與Freundlich模型參數(shù)，如表1所示。

圖2 甲基橙在ACF上吸附的Langmuir模型

圖3 甲基橙在ACF上吸附的Freundlich模型

表1 甲基橙在ACF上吸附的模型參數(shù)

根據(jù)表1，3種水溫條件下，ACF對甲基橙的吸附均可近似采用Langmuir與Freundlich吸附等溫模型來描述，但Langmuir吸附等溫方程的擬合性更高，能更好地描述ACF對甲基橙的吸附，3種水溫下的R2值均在0.99以上。因此，ACF對甲基橙的吸附模型可用Langmuir吸附等溫式來表達，25 ℃、35 ℃及45 ℃下擬合方程分別為y=0.0041x+0.0613，y=0.0038x+0.0696及y=0.0034x+0.0738。

2.2 吸附動力學(xué)

按照上述1.4的實驗方法，得到甲基橙在ACF上的吸附量-時間關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 不同水溫下甲基橙在ACF上的吸附量-時間關(guān)系曲線

由圖4可知，當甲基橙初始濃度為100 mg·L-1，3種水溫條件下ACF對甲基橙的吸附量均隨吸附時間的延長而增大，且該吸附過程可分割為3個進程：0～30 min為快速吸附階段，30～90 min吸附速率逐漸降低，90 min后已近吸附平衡，吸附量幾乎不再增加。

分別采用吸附領(lǐng)域應(yīng)用最廣的Lagergren準一級動力學(xué)方程(5)及Mc Kay準二級動力學(xué)方程(6)描述ACF對甲基橙的吸附過程。

ln(qe-qt)=lnqe-k1t/2.303

(5)

t/qt=1/k2qe2+t/qe

(6)

式中：qt為某一時刻t的吸附量，mg·g-1；k1為準一級吸附動力學(xué)速率常數(shù)；k2為準二級吸附動力學(xué)速率常數(shù)。

基于準一級Lagergren動力學(xué)方程，以ln(qe-qt)對時間t作圖得到圖5，基于準二級Mc Kay動力學(xué)方程，以t/qt對時間t作圖得到圖6。

圖5 不同水溫下甲基橙在ACF上吸附的準一級動力學(xué)模型

圖6 不同水溫下甲基橙在ACF上吸附的準二級動力學(xué)模型

根據(jù)圖5與圖6可知，不同水溫下甲基橙在ACF上吸附的準一級與準二級動力學(xué)模型擬合結(jié)果均為直線，且圖5中實驗數(shù)據(jù)點較為散亂，線性相關(guān)性較低。模型參數(shù)如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可知，3種水溫條件下，甲基橙在ACF上吸附的準二級動力學(xué)模型相關(guān)系數(shù)R2均達到0.99以上，且根據(jù)回歸方程得到的理論平衡吸附量qe與實驗值接近，說明相較于準一級動力學(xué)模型而言，準二級動力學(xué)模型的擬合程度更高，更能描述ACF對甲基橙的吸附。25 ℃、35 ℃及45 ℃下甲基橙的二級反應(yīng)模型擬合方程分別為y=0.0099x+0.0902，y=0.0102x+0.0630及y=0.0102x+0.0428。

表2 甲基橙在ACF上吸附的準一級與準二級動力學(xué)參數(shù)

3 結(jié) 論

(1)25 ℃、35 ℃及45 ℃ 3種水溫條件下，活性炭纖維ACF對甲基橙的吸附均符合Langmuir吸附等溫模型，且ACF吸附量均隨甲基橙初始濃度的增大而增大。

(2)分別采用準一級動力學(xué)方程及準二級動力學(xué)方程對ACF吸附甲基橙過程進行分析，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明準二級動力學(xué)方程能較好的描述ACF對甲基橙的吸附過程。