锯末对亚甲基蓝的吸附条件优化

雷生煜，赵航航，沈 州，张 冰，席海朋，高伟峰，王彦民

(1.陕西理工大学化学与环境科学学院，陕西 汉中 723001；2.秦巴山区生物资源综合开发协同创新中心，陕西 汉中 723001)

锯末对亚甲基蓝的吸附条件优化

雷生煜，赵航航，沈 州，张 冰，席海朋，高伟峰，王彦民

(1.陕西理工大学化学与环境科学学院，陕西 汉中 723001；2.秦巴山区生物资源综合开发协同创新中心，陕西 汉中 723001)

本文以水热KOH溶液处理后的枫香木锯末为吸附材料，对溶液中的亚甲基蓝染料进行吸附去除。采用响应曲面法设计实验，获得的最佳工艺条件为：吸附剂投加量0.24g，染料初始浓度33mg·L-1，时间193min，锯末对亚甲基蓝的去除率为98.87%。

锯末；亚甲基蓝；吸附；响应曲面法

大多数有机染料具有高毒性，在环境中难以自然降解，由染料废水引起的环境问题日趋严重。吸附法是处理印染废水的一种有效手段，活性炭、纤维树脂及蒙脱石等是常用的吸附材料[1]。秸秆、荞麦皮、枣核、玉米芯等农林废弃物[2-5]具有价格低廉、原材料来源广等优点，经过简单处理即可用于染料吸附，因此受到关注。用酸、碱、表面活性剂等对农林废弃物进行改性处理[6-8]，可进一步提高材料的吸附性能。本研究用水热KOH溶液处理枫香木锯末，制备的吸附材料用于吸附去除溶液中的亚甲基蓝，采用响应曲面法对吸附条件进行了优化。

1 实验部分

1.1 实验材料及试剂

去离子水浸泡枫香木锯末24h，淘洗锯末至溶液无色，烘干，用尼龙筛筛分，称取0.241～0.375mm的锯末5.0g置于100mL聚四氟乙烯水热反应釜中，加入1.0mol·L-1的KOH溶液25mL，密封后置于烘箱中，140℃保持3h。待反应釜冷却，取出固体，用超纯水洗涤至溶液无色，固体烘干后作为吸附材料。

称取（2.0±0.0001）g亚甲基蓝溶于500mL容量瓶，配制成4000mg·L-1的亚甲基蓝储备液。通过稀释储备液得到不同浓度的亚甲基蓝模拟废水。

1.2 实验方法

1.2.1 单因素吸附实验

考察吸附剂投加量、染料初始浓度、吸附时间这3个因素对亚甲基蓝去除率的影响。在100 mL具塞碘量瓶中加入50mL一定浓度的亚甲基蓝溶液，调节pH至7，加入一定量经过处理的锯末，30℃恒温震荡吸附一定时间，取上层清液测定吸光度。

1.2.2 响应曲面法设计实验

对上述3个因素进一步采用响应曲面法进行优化，取值范围分别为：投加量0.05～0.25g，吸附时间10～240min，初始浓度10～200mg·L-1，以去除率为响应值进行17组实验，具体实验设计见2.4节。

1.2.3 亚甲基蓝浓度测定及计算公式

配制浓度为2、6、10、14、18 mg·L-1的亚甲基蓝标准溶液，用可见分光光度计测定吸光度（亚甲基蓝特征吸收波长λ=664 nm），绘制浓度-吸光度曲线，得到拟合方程：

亚甲基蓝去除率计算公式：

式中：Y为亚甲基蓝去除率，%；c0、c分别为吸附前、后亚甲基蓝浓度，mg·L-1。

2 结果与讨论

2.1 锯末投加量对去除率的影响

锯末投加量对亚甲基蓝去除率的影响见图1。锯末投加量在0.05～0.15g，亚甲基蓝去除率增加较快，由85.5%增加到96.5%；超过0.15g，去除率增长缓慢，吸附趋于饱和。取0.15g为最佳投加量，此时去除率为96.5%。

图1 锯末投加量对亚甲基蓝去除率影响Fig.1 Effect of dosage on removal efficiency

2.2 初始浓度对去除率的影响

亚甲基蓝初始浓度对去除率的影响见图2。10mg·L-1时亚甲基蓝去除率最高，为97.82%，去除率随浓度增加而降低。浓度为100mg·L-1时的去除率为95.74%，与50mg·L-1时相比，减少了0.58%，但比150mg·L-1时高出1.05%。0.15g锯末处理浓度为100mg·L-1的亚甲基蓝废水较适宜。

图2 初始浓度对亚甲基蓝去除率影响Fig.2 Effect of initial concentration on removal efficiency

2.3 吸附时间对去除率的影响

吸附时间对亚甲基蓝去除率的影响见图3。0～10min内去除率增长迅速，10min的去除率达到96%，说明锯末对亚甲基蓝的吸附很迅速，前10min内基本完成。30min后，去除率增加缓慢，120min后吸附基本达到平衡，去除率基本稳定在98.3%。

图3 吸附时间对亚甲基蓝去除率影响Fig.3 Effect of contact time on removal efficiency

2.4 响应曲面法对吸附工艺参数优化

进一步对吸附剂投加量（A）、吸附时间（B）、染料初始浓度（C）3个因素进行优化，实验方案及结果见表1。利用Design-Expert 5.0.8.0软件对数据进行拟合，得到各因素对响应曲面的回归模型方程：

图4显示去除率的实验值与预测值较好地落在一条直线上，说明该模型可以用于分析和预测该吸附过程。回归方程方差分析见表2。表2中模型的P＜0.0001，差异高度显著，说明模型适合。校正系数R2

Adj=0.9956，说明模型能解释99.56%响应值的变化，且拟合度良好。A、B、C的P＜0.0001，说明投加量、时间、浓度对亚甲基蓝吸附有显著影响，3个因素的影响顺序为：投加量＞时间＞浓度。

图4 亚甲基蓝去除率实际值与预测值比较Fig.4 The experimental data versus the predicted data of normalized removal of dye.

图5是响应值对3个因素构成的响应曲面图。图5（a）、（b）曲面较陡峭，说明浓度和时间、浓度和投加量的交互作用较强，图5（c）曲面较平缓，说明投加量和时间交互作用较弱。图5（a）中，固定投加量，延长吸附时间有利于亚甲基蓝去除，但在同一吸附时间下，去除率随初始浓度增大而降低，两者变化趋势不同，表明增加吸附时间和降低初始浓度均能提高亚甲基蓝去除率。图5（b）中，固定吸附时间，去除率随投加量增加而增加，在同一投加量下，去除率随初始浓度增加而降低，表明增加投加量和降低染料浓度才能提高亚甲基蓝的去除率。图5（c）中，固定初始浓度，增加投加量和延长时间均有利于提高亚甲基蓝去除率。

表1 实验方案及结果Tab.1 Design and results of the central composite designs

表2 回归方程方差分析Tab.2 Analysis of variance (ANOVA) for regression equation

图5 实验因素交互影响去除率曲面图Fig.5 Response surfaces for the central composite designs

通过响应曲面分析优化，得到锯末对亚甲基蓝吸附的最佳工艺条件为：锯末投加量0.24g，吸附时间192.93min，初始浓度33.38mg·L-1。为便于验证实验操作，条件修正为：投加量0.24g，吸附时间193min，初始浓度33 mg·L-1，进行3次平行实验，亚甲基蓝去除率均值为98.87%，误差1.12%。

3 结论

单因素实验表明，锯末对亚甲基蓝的最佳吸附条件为：锯末投加量0.15g，染料初始浓度100mg·L-1，吸附时间120min，去除率为96.47%。采用响应曲面法优化得到的最佳条件为：锯末投加量0.24g，染料初始浓度33mg·L-1，吸附时间193min，去除率为98.87%。

[1] 陈文华，李刚，许方程，等.染料废水污染现状及处理方法研究进展[J].浙江农业科学，2014(2)：264-269.

[2] 吴春，高彦杰，刘宁.玉米芯吸附处理工业废水中染料的方法研究[J].食品科学，2007，28(8)：188-191.

[3] 党艳，罗倩，李克斌，等. 荞麦皮生物吸附去除水中罗丹明B的吸附条件响应面法及热力学研究[J].环境科学学报，2011，31(12)：2601-2608.

[4] 刘侠，张智芳，陈碧，等. 枣核对水溶液中亚甲基蓝、碱性品红的吸附性能研究[J].食品工业科技，2015(6)：304-308.

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Optimization for Adsorption of Methylene Blue with Sawdust

LEI Shengyu, ZHAO Hanghang, SHEN Zhou, ZHANG Bin, XI Haipeng, GAO Weifeng, WANG Yanmin
(1.School of Chemistry and Environmental Science, Shaanxi Sci-Tech Universi ty, Hanzhong 723001, China; 2. Qinling-Bashan Mountains Bioresources Comprehensive Development C.I.C of Shaanxi Province, Hanzhong 723001, China)

In this study, maple wood sawdust which treated with hydrothermal KOH solution, was used to remove methylene blue from dye wastewater. Optimization using central composite design (CCD) for adsorption of dye was carried out. Under the optimization conditions as dosage of adsorbent was 0.24g, initial concentration of dye was 33 mg/L, contact time was 193 min, the removal effi ciency was 98.87%.

sawdust; methylene blue; adsorption; response surface methodology

X 703.1

A

1671-9905(2017)03-0036-04

陕西省大学生创新创业训练计划项目(2241)；秦巴山区生物资源综合开发协同创新中心自然科学项目[QBXT-Z(P)-15-17]

王彦民，博士，讲师，主要从事固体废弃物资源化利用研究，E-mail: wangyanmin_207@163.com

2017-01-11