吸附剂材料在染料废水净化治理中的应用

周聿铭 ，薛捷豪

(1.湖南省长沙市明德中学，　湖南 长沙　410000；2.北京科技大学 冶金与生态工程学院，　北京　100083)



吸附剂材料在染料废水净化治理中的应用

周聿铭1，薛捷豪2

(1.湖南省长沙市明德中学，湖南 长沙410000；2.北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京100083)

摘要：采用苹果榨汁渣为原料，通过化学改性之后制备成颗粒状的吸附材料，用于染料废水的吸附脱色净化处理。以人工配制的亚甲基蓝溶液对其吸附行为进行考察，发现其对染料分子具有良好的吸附行为：吸附容量达0.97 mol/kg，10 min内可达到吸附平衡。该生物吸附材料原料易得、改性方便，吸附效果好，具有很好的净水应用前景。

关键词：苹果渣；吸附容量；染料分子；净化材料

0前言

染织工业排出的各色污水，如果不经过良好的净化处理，则会对周边环境造成严重的危害。譬如，染料分子会严重影响到阳光入射到水体中的强度，则直接干扰水生植物的光合作用，从而威胁到该水体区域的生态环境健康。

目前处理染料废水的方法有混凝法、离子交换法、高级氧化法、光催化法、活性炭吸附法等。混凝法是利用无机或者高分子絮凝剂通过电中和、架桥絮凝和卷扫网捕等作用将染料分子絮凝除去，具有处理方便、处理水量大等优点，但是深度脱除效果有限及混凝污泥难以处理等突出的缺点也是限制该技术广泛推广应用的原因。离子交换法则是采用大孔离子交换树脂将染料分子捕获在树脂颗粒上，实现水介质澄清、恢复水质的目的，可望实现染料分子的回收再用是其优势，但是如何解吸、树脂价格贵等问题也存在，故往往作为末端把关环节使用，不好大规模推广使用。高级氧化法包括芬顿氧化、臭氧氧化法、光催化法等，效果好，但是存在试剂消耗量大、成本高等问题。活性炭吸附法是利用活性炭极其发达的孔表面性来实现对水体中染料分子的快速、彻底的吸附脱除，但是活性炭价格贵、不容易解吸脱附以实现多次吸附等问题，也使得该材料在实用中受到不少限制。因此，染料废水污染客观上需要有更经济、高效的新型处理技术和方法，才有利于该污染问题的解决。

本工作提出采用生物吸附的方法来富集和脱除水体中的染料分子，以该技术的材料廉价易得性、吸附高效及可解吸性等特点，可望在染料污染水体的净化治理方面发挥独特的效果。尤其在与活性炭吸附、高级氧化法、离子交换法等方法进行组合搭配的时候，可望显著提高和优化以上各个技术实际应用的经济性和处理效果。比如，先将染料废水经过生物吸附法富集和回收大部分的染料分子，残留有少量或微量染料分子的废水再经过以上某个技术工序的深度净化处理，则不仅大大减少了直接使用以上技术处理的工作强度，减少了试剂的总消耗量，而且也显著提高了整个处理工艺的净化效率，实现最佳的组合处理效果和效益。

1生物吸附材料的制备及吸附试验

本研究采用某果汁生产厂家制备苹果汁的榨汁残渣为原料，经过简单的化学活化改性处理之后，经过洗涤、烘干、破碎、分级得到的40目筛下物即为本工作采用的脱除水介质中染料分子的吸附剂材料，命名为AJR吸附剂。

取15 mL亚甲基蓝(MB)溶液，其浓度为10 mg/L，加入25 mg AJR吸附剂颗粒，封好瓶口后，置于空气浴振荡器中，在一定振动频率下开始吸附试验。待吸附一段时间之后，取出离心其中的溶液，分析检测上清液中的亚甲基蓝浓度。分析检测仪器采用优尼科2100分光光度计，测试亚甲基蓝的工作波长为642 nm。

测试结果可用于评判AJR吸附剂对亚甲基蓝分子自水中吸附脱除的效果，一般有2个评价指标：吸附百分率R% = (Ci-Ce)/Ci× 100;吸附量 Q = (Ci-Ce) × V/W。式中，Ci、Ce分别是吸附前后溶液中亚甲基蓝分子的浓度，mg/L； V是被吸附溶液的体积，mL；W是吸附剂颗粒的重量，mg。

2结果与讨论

2.1pH的影响

图1是溶液pH对AJR吸附脱除水中MB分子的影响。可见在弱酸性条件下，如pH < 3时，对MB分子的脱除率为80%左右，且随着pH的降低而变得更小；而在pH > 3之后，则对MB分子的吸附率稳居90%以上。从图中可见，若进一步降低pH，则可以使其对MB分子的吸附率更低，表面可以采用强酸来实行MB分子的有效解吸。试验证明，采用0.5 M的硫酸或者1 M 的盐酸可以有效地实现对MB的解吸富集，该收集得到的高浓度MB可望作为染料继续使用，而AJR吸附剂材料则可继续使用至少20次以上仍然能够保持较好的吸附效果。

图1　溶液pH对AJR吸附脱除水中MB分子的影响

2.2用量的影响

图2是吸附剂用量对吸附脱除水中MB分子的影响。可见在考察的剂量范围内，即使少量的吸附剂用量，也可以达到很好的吸附效果。

图2　吸附剂用量对吸附脱除水中MB分子的影响

从实用化的角度来讲，每升废水只需加入2 g的AJR吸附剂颗粒即可达到94%以上的吸附效果，也即每立方废水只需要2 kg的吸附剂即可实现大部分MB分子的富集脱除。加上该吸附剂可以多次解吸后返回继续吸附使用，因此，在解吸20次或200次后还能有效吸附的前提下，每立方废水处理所需吸附剂成本可以呈数量级地减少至1/20甚至1/200。

2.3等温吸附曲线

图3 是测试AJR吸附剂对MB分子的吸附等温曲线，从中可以估算出该吸附剂对MB分子的吸附容量最大可达到0.97 mol/kg，即310.4 g/kg的吸附质量，相当于1 kg的AJR吸附剂与水溶液中的MB分子接触发生吸附反应，最充分的吸附结束后可实现干基增重31%以上，均属于MB分子被吸附到AJR颗粒上造成的。进一步研究发现，该吸附等温曲线可以用Langmuir方程拟合，这表明MB分子被吸附到AJR颗粒表面的现象，可以视作为MB分子在AJR颗粒表面以单分子层的形式占据、覆盖在表面，且MB分子占据、覆盖的地方，不会再有MB分子继续在该MB分子层上继续附着和覆盖。这在吸附现象中是非常普遍的，该模型的吻合可以帮助判断吸附机制的解释以及吸附过程的本质。

图3　吸附等温曲线

2.4吸附动力学

图4是不同初始浓度的MB溶液经过不同时间的吸附量的变化情况。从中可见，在考察的四组浓度的溶液中，与AJR颗粒的吸附均可在10 min内就完成对MB分子的脱除反应平衡，可以大大缩小吸附反应槽的体积和缩短MB分子被富集脱除的时间，从而降低该技术实施的设备成本以及运行使用成本。整体来看，AJR吸附剂对MB分子的吸附均可在很短的时间内即可完成吸附反应的平衡，可以推测该吸附过程的表面化学反应进行非常迅速，因此很可能影响吸附快慢的限制性步骤是扩散，即在水溶液中的MB分子往AJR颗粒表面及内孔深处扩散的过程乃是容易影响到吸附效果的关键步骤。具体的改良措施有加强搅拌、细化AJR颗粒粒度等。

图4　不同时间吸附量的变化情况

2.5吸附机理

据红外光谱分析可确知，苹果渣中含有丰富的羧基-COOH，该功能团在吸附过程中起到了决定性的作用[3]。亚甲基蓝分子式为C16H18ClN3S·3H2O，其结构见图5所示，可见其中的长链碳高分子基体部分带正电荷，与之匹配的则是Cl-负电荷，因此在不同的pH值下，AJR颗粒表面的-COOH功能团的质子化状态也是不一样的，同样地，亚甲基蓝分子的高分子显色部位的荷电性也是不一样的。当在酸性条件下时，AJR颗粒表面充分质子化而带正电荷，而MB分子的显色部位则带正电荷，此时MB分子会受到同样正电荷的AJR颗粒的排斥而抑制对MB分子的吸附脱除效果；而当 pH升高时，AJR颗粒表面质子化现象弱化，可能带负电荷，有利于MB分子带正电荷的显色部位接近而促进吸附。

图5　亚甲基蓝的分子结构

3结论

苹果渣改性后制备成的吸附剂材料对水介质中的亚甲基蓝分子具有良好的 吸附脱除效果，因此是一种具有潜在应用价值的吸附材料。虽然苹果渣的来源比较特殊，但是在果汁生产厂家却有很丰足的原料提供，据此而进行合适的化学改性，可以在染料废水的高效、经济治理和净化方面提供独到的技术效果。

参考文献：

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