壳聚糖质活性炭对亚甲基蓝的吸附性能研究

宋娟，李晓晖，宁喜斌

(上海海洋大学 食品学院，上海 201306)

活性炭是一种比较特殊的碳质材料，是一类具有石墨微晶的无定形的碳，是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的良好碳质吸附材料，其中主要化学成分是碳元素，并含有少量的氢、氮、氧及灰分。在高温和一定压力下，活性炭通过热解作用形成复杂的孔隙结构和巨大的表面积，作为吸附剂被应用于多方面，如污水处理、重金属处理、空气净化等［1-3］。

现今，活性炭的主要原料为所有富含碳元素的有机材料，如木材、椰壳、核桃壳、果壳、煤等［3-5］，壳聚糖为一种来源广泛的天然高分子化合物，具有无毒、易降解、抑菌作用、絮凝作用等特点［6］，利用其制作活性炭的报道较少［7］。本文利用壳聚糖制作新型活性炭，并测定了其对亚甲基蓝的吸附作用，检测此新型活性炭的应用价值，为应用提供理论依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

壳聚糖(脱乙酰度95%);亚甲基蓝，超纯级;氢氧化钠、冰醋酸均为分析纯。

HJ-4A 多头磁力搅拌器;Unico UV-2000 紫外可见分光光度计;WP800TL-23-k3 微波炉;DHG-9075A电热鼓风干燥箱;S3400N 扫描电子显微镜;K850 临界点干燥仪。

1.2 实验方法

1.2.1 壳聚糖质活性炭制作称取2 g 壳聚糖粉末，溶于50 mL 1%的冰醋酸，制成0.04 g/mL 的壳聚糖溶液，用氢氧化钠进行凝胶化，用去离子水清洗至pH 值为7，之后进行干燥、微波炭化、酸洗、水洗、干燥，制成活性炭。

1.2.2 亚甲基蓝标准曲线称取0.5，1，1.5，2，2.5 mg 的亚甲基蓝粉末溶于50 mL 的容量瓶中，配制成质量浓度为10，20，30，40，50 mg/L的亚甲基蓝溶液，在660 nm 处测量吸光值，作浓度-吸光值曲线，线性回归，得标准曲线方程y= 0. 044 5x +0.172 4，R2=0.980 2。

1.2.3 活性炭对亚甲基蓝吸附实验称取0.3 g活性炭投入到20 mg/L 的亚甲基蓝溶液中，30 ℃下搅拌1 h 后，用紫外分光光度计于660 nm 处测量吸光度，并按照式(1)计算吸附量、清除率。

式中 q——吸附量，mg/g;

C0——亚甲基蓝初始质量浓度，mg/L;

Ce——吸附平衡时亚甲基蓝的质量浓度，mg/L;

V——亚甲基蓝溶液体积，L;

m——活性炭样品的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 壳聚糖质活性炭的表征

图1 为所制作的壳聚糖质活性炭的扫描电镜(SEM)图，其中图a 为此材料的近视图(5 μm)，图b 为远视图(200 μm)。

图1 活性炭的扫描电镜图Fig.1 SEM micrographs of activated carbon

由图1 可知，活性炭表面不规则，有微孔及裂隙，结果保证了此材料的吸附性能。

2.2 活性炭投入量对吸附效果的影响

称取2 g 壳聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的壳聚糖溶液，制成活性炭，加入到20 mg/L 的亚甲基蓝溶液中，30 ℃下中速磁力搅拌1 h，过滤，于660 nm 处测量吸光度，并计算清除率，结果见图2。

由图2 可知，壳聚糖质活性炭加入量越多，吸附效果越明显，加入量≥0.3 g 时，亚甲基蓝清除率趋于平稳，达到83.09%，低于张娟等制作的竹炭［4］。

图2 活性炭加入量对吸附效果的影响Fig.2 Effect of the amount of activated carbon for adsorption capacity

2.3 吸附时间对吸附效果的影响

称取2 g 壳聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的壳聚糖溶液，制成活性炭，投0.3 g到20 mg/L 的亚甲基蓝溶液中，30 ℃下中速磁力搅拌1 h，在规定时间内取出，过滤，于660 nm 处测量吸光度，并计算清除率，结果见图3。

图3 吸附时间对吸附效果的影响Fig.3 Effect of the adsorption time of activated carbon for adsorption capacity

由图3 可知，随着吸附时间的增加，吸附率也逐渐增加，在吸附60 min 后，基本趋于平稳，亚甲基蓝的清除率高达83.9%。

2.4 不同体积亚甲基蓝的量对吸附效果的影响

称取2 g 壳聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的壳聚糖溶液，制成活性炭，分别投0.3 g 到10，20，30，40，50 mL 的20 mg/L 的亚甲基蓝溶液中，30 ℃下中速磁力搅拌1 h，过滤，于660 nm处测量吸光度，并计算清除率，结果见图4。

由图4 可知，加入的亚甲基蓝体积越少，吸附效果越明显［7］，当亚甲基蓝加入的体积＜10 mL 时，吸附效果较好。

图4 不同亚甲基蓝体积对吸附效果的影响Fig.4 Effect of the volume of methylene blue for adsorption capacity

2.5 温度对吸附效果的影响

称取2 g 壳聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的壳聚糖溶液，制成活性炭，投0.3 g到20 mg/L 的亚甲基蓝溶液中，20 ～60 ℃下中速磁力搅拌1 h，过滤，于660 nm 处测量吸光度，并计算清除率，结果见图5。

图5 温度对吸附效果的影响Fig.5 Effect of the adsorption temperature of activated carbon for adsorption capacity

由图5 可知，温度对吸附效果的影响较小，整体上随着温度的增加，清除率增加，当温度达到50 ℃以后，清除率基本无变化。

2.6 吸附动力学研究［8］

为了研究壳聚糖质活性炭的吸附动力学特性，找到合适的动力学模型，分别选用准一级动力学方程以及准二级动力学方程对数据进行拟合。

式中 qe——平衡时对亚甲基蓝的吸附量，mg/g;

q——在t 时刻时对亚甲基蓝的吸附量，mg/g;

k1——准一级速率常数，min－1。

其中，k2为准二级速率常数，g/(mg·min)，结果见图6。

图6 二级吸附动力学方程Fig.6 The second adsorption kinetic

该吸附过程符合准二级动力学方程，线性相关系数为0.998 8。从斜率和截距得到动力学参数见表1。

表1 壳聚糖质活性炭对亚甲基蓝吸附的动力学参数Table 1 Adsorption kinetic parameters of methylene blue by activated carbon

由表1 可知，准二级动力学方程能较好的描述壳聚糖质活性炭对亚甲基蓝的吸附动力学过程，模拟计算出的qe与实验中所得的qe基本一致。

2.7 吸附等温线研究［9］

运用Langmuir 方程(式5)和Freundlich 方程(式6)对实验数据进行拟合。

式中 qm——理论饱和吸附容量，mg/g;

b——Langmuir 常数。

其中，Kf，n 表示Freundlich 常数。

吸附等温方程拟合结果见图7，其拟合相关参数见表2。Freundlich 方程可很好地描述壳聚糖质活性炭对亚甲基蓝的吸附行为。

图7 Freundlich 吸附等温线Fig.7 Freundlich adsorption isotherms

表2 Freundlich 方程拟合参数Table 2 Freundlich equation fitting parameters

3 结论

(1)壳聚糖质活性炭对亚甲基蓝最佳吸附条件:投入量为0.3 g，吸附时间为60 min，亚甲基蓝体积为10 mL，吸附温度为50 ℃，吸附能力达80%以上。

(2)此吸附过程符合二级吸附动力学方程，吸附过程符合Freundlich 模型。

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