粉煤灰基吸附剂吸附亚甲基蓝及再生性能研究

伍昌年+王莉+凌琪+唐玉朝+潘法康+朱志伟

摘要：研究粉煤灰基吸附剂及微波辐照再生后吸附剂对亚甲基蓝的吸附行为，确定了粉煤灰基吸附剂达到吸附平衡的时间及吸附过程符合的等温吸附模型。试验结果表明，1 h后粉煤灰基吸附剂吸附基本达到平衡，吸附过程更符合Freundlich等温吸附模型，最大平衡吸附量为35.64 mg/g。对吸附饱和亚甲基蓝粉煤灰基吸附剂进行微波辐照再生研究，最佳的再生条件为微波功率700 W，再生时间2 min，粉煤灰基吸附剂再生效率为98.6%。

关键词：粉煤灰；亚甲基蓝；吸附；再生

中图分类号： X703.1 文献标识码： A 文章编号：0439-8114（2014）19-4574-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.016

Adsorption and Regeneration of Coal Fly Ash-based Adsorbent

for Methylene Blue

WU Chang-nian， WANG Li， LING Qi， TANG Yu-chao， TAO Yong， PAN Fa-kang， ZHU Zhi-wei

（School of Environment and Energy Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei 230601，China）

Abstract： The adsorption performance of methylene blue on coal fly ash-based adsorbent（CFAA）， the time of adsorption equilibrium and adsorption isotherm model were investigated. The results showed that the adsorption of methylene blue on CFAA basically reached equilibrium after 1h and its adsorption equilibrium data could be fitted with Freundlich isotherm with the maximal equilibrium adsorption capacity of 35.64 mg/g. The regeneration of the saturated CFAA by the microwave showed that the microwave power of 700 W， regeneration time of 2 min were optimal conditions for CFAA regeneration with the regeneration efficiency of 98.6%.

Key words： coal fly ash； methylene blue； adsorption； regeneration

全国印染废水每天排放量为4×106 m3，占全国工业废水总排放量的35%，并以1%的速度逐年增长，排放的废水具有水量大、色度高、碱性大、可生化性差、水质变化大、有机污染物含量高和成分复杂等特点[1-3]。吸附法指利用多孔性固相物质吸着去除污染物的界面过程[4]，常被用于废水的深度处理领域。与传统的化学法、生物法等处理手段相比，吸附法成本较低、效率较高，实际操作更加简便可行。粉煤灰是燃煤电厂排放的固体废弃物，要进行大量的后续处理，否则将会造成严重的环境污染。由于粉煤灰具有较大的比表面积，疏松的多孔结构，且含有较多的活性Al2O3和SiO2，呈现出较好的吸附性能，可作为吸附剂应用于处理环境中的污染物[5，6]。与吸附性能好的活性炭相比，粉煤灰具有低廉、易得的特性。基于粉煤灰含有大量活性组分，可通过改性等方法制备高吸附性能的低成本吸附剂，将有助于拓宽吸附法的应用范围[7，8]，达到“以废治污”目的。本研究选用粉煤灰为原料，制备粉煤灰基吸附剂处理亚甲基蓝溶液，用于粉煤灰基吸附剂吸附及再生过程分析，为其实际应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试剂和仪器

粉煤灰（CFA）取自华能集团巢湖电厂，氢氧化钠和亚甲基蓝均为分析纯。仪器：TU-1901型双光束紫外可见分光光度计，SHZ-82型数显恒温水浴振荡器，KYKY-2000型扫描电镜，Tristar II 3020M型全自动比表面积和孔隙分析仪，NJL07-1型实验用微波高温炉。

1.2 粉煤灰基吸附剂的制备

配制浓度为6 moL/L的氢氧化钠溶液，按照灰水比（g/mL）为1∶1的比例，将NaOH溶液与粉煤灰混合后，室温下搅拌，经静置、烘干、碾磨，即得到粉煤灰基吸附剂（CFAA）。

1.3 吸附剂吸附性能

1.3.1 吸附剂吸附 准确称取一定量的吸附剂放入250 mL锥形瓶中，再加入200 mL亚甲基蓝溶液（150 mg/L），将锥形瓶置于恒温（25 ℃）振荡器中，振荡吸附2 h，使吸附达到平衡。样品经离心取上清液在664 nm处测定其吸光度，根据标准曲线计算亚甲基蓝溶液浓度，计算亚甲基蓝的去除率和吸附剂的吸附容量。

qe=■（1）

式中，c0为吸附前亚甲基蓝初始浓度（mg/L）；c为吸附后亚甲基蓝浓度（mg/L）；qe为单位质量吸附剂吸附量（mg/g）；m为吸附剂干重（g）；V为溶液体积（L）。

1.3.2 吸附剂再生 已达饱和吸附的粉煤灰基吸附剂通过微波辐照再生，考察微波功率和再生时间对吸附剂再生效率的影响。

1.3.3 再生吸附剂吸附 再生吸附剂放入250 mL锥形瓶中，进行亚甲基蓝吸附试验，试验条件和吸附剂吸附亚甲基蓝一致。考察微波再生后粉煤灰基吸附剂对亚甲基蓝的吸附能力，计算吸附剂再生效率。再生效率=再生后吸附剂对亚甲基蓝吸附量/吸附剂对亚甲基蓝吸附量×100%。

2 结果与讨论

2.1 CFA和CFAA的表征

扫描电镜观测的CFA和CFAA的表面形貌如图1所示，由图1可以看出，CFA主要以结构疏散的海绵状多孔玻璃质颗粒和表面光滑的球形颗粒存在，颗粒较大。而CFAA的表面非常粗糙，是由于表面被氢氧化钠腐蚀出很多凹凸不平的孔，同时将许多连在一起的小球通过孔打通，颗粒粒径较小，比表面积随之增大。用比表面积分析仪测定，CFA和CFAA的比表面积分别是0.51和1.68 m2/g。

2.2 吸附剂对亚甲基蓝吸附

2.2.1 CFA和CFAA对亚甲基蓝吸附性能比较 取1 g吸附剂于250 mL锥形瓶中，加入200 mL亚甲基蓝溶液（250 mg/L），在室温下水浴恒温振荡器振荡反应。CFA和CFAA的吸附量随吸附时间的变化如图2所示，由图2可以看出，随着吸附时间的延长，吸附剂的吸附量呈现增加的趋势。吸附时间为60 min时，吸附接近平衡，CFA和CFAA的吸附量分别为8.52 mg/g和27.78 mg/g，而后继续增加吸附时间，吸附量变化不大。CFAA的吸附量远大于CFA，是由于CFA经NaOH处理后比表面积增大，对亚甲基蓝的吸附能力也随之增加，吸附剂扫描电镜照片也可以佐证。

2.2.2 吸附剂对亚甲基蓝的吸附等温线 分别取0.25、0.50、1.00、2.00和3.00 g CFAA于250 mL锥形瓶中，加入200 mL亚甲基蓝溶液（250 mg/L），在室温下水浴恒温振荡器振荡反应1 h。对试验结果分别进行Langmuir和Freundlich吸附等温模型拟合。

Langmuir吸附等温式：

■=■+■（3）

RL=■（4）

Freundlich吸附等温式：

lnqe=lnk+■lgce （5）

式中：qe为单位质量吸附剂吸附量（mg/g）；Q0为构成单分子层吸附时单位质量吸附剂的饱和吸附量（mg/g）；ce为平衡时溶液中剩余的吸附质的量（mg/L）；RL为平衡参数；k、n，为常数。图3是吸附剂吸附等温线拟合，Langmuir模型和Freundlich模型拟合相关系数R2分别是0.960 0和0.994 7，表明CFAA对亚甲基蓝吸附均符合上述模型，相比更符合Freundlich等温模型。吸附等温拟合方程如表1所示。

依据Langmuir模型的吸附平衡参数计算式得，RL=0.033，0

2.3 吸附剂微波再生

2.3.1 微波功率对CFAA再生效率的影响 利用吸附试验使CFAA吸附亚甲基蓝达到饱和，取CFAA 2.00 g，干燥后，设定再生时间为2 min，然后放入微波炉中进行再生。考察微波功率对CFAA再生效率的影响，试验结果如图4所示。由图4可以看出，随着微波功率的增加，CFAA再生效率增加，随着微波功率的增加，CFAA吸收微波的能量迅速增大，使CFAA再生速率加快，提高了再生效率。当微波功率为700 W时，CCFA再生最充分，再生效率达到最高，为98.6%。再增加微波功率，CFAA再生效率逐渐下降，这是由于当微波功率很高时，CFAA 积聚的能量过高，将破坏CFAA的部分孔道，吸附的亚甲基蓝在缺氧条件下分解沉淀在粉煤灰孔道中，导致其吸附能力下降，再生效率降低[10，11]。

2.3.2 再生时间对对CFAA再生效率的影响 利用吸附试验使CFAA吸附亚甲基蓝达到饱和，取CFAA 2.00 g，干燥后，设定再生功率为700 W，然后放入微波炉中进行再生，考察再生时间对MCFA再生效率的影响，结果如图5所示。由图5可以看出，随着再生时间的延长，CFAA再生效率迅速增加，2 min时达到最高，为98.6%。随着再生时间的延长，可能会使吸附剂骨架收缩，发生孔熔，从而使一部分孔道因收缩失去吸附能力[12，13]，微波辐照时间越长该作用越明显。

3 结论

通过粉煤灰基吸附剂对亚甲基蓝的吸附研究得出：1 h后粉煤灰和粉煤灰基吸附剂吸附基本达到平衡，改性后粉煤灰吸附能力很强，吸附过程更符合Freundlich等温吸附模型，最大平衡吸附量为35.64 mg/g。微波辐射处理吸附饱和粉煤灰基吸附剂试验结果表明，最佳的再生条件是：微波功率700 W，再生时间2 min，粉煤灰基吸附剂的再生效率为98.6%。

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