植物纤维微球对不同染料溶液的吸附特征研究

刘冰雪，黄书鑫,熊淑婷，李胜方，肖文胜，陶 敏*

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院,湖北 黄石 435003；2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室,湖北 黄石 435003；3武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081)

植物纤维微球对不同染料溶液的吸附特征研究

刘冰雪1,2,3，黄书鑫1,2,熊淑婷1,2，李胜方2，肖文胜1,2，陶 敏1,2*

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院,湖北 黄石 435003；2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室,湖北 黄石 435003；3武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081)

染料废水处理成本高一直是困扰吸附材料应用的问题之一，为此，选取几种植物纤维固体废弃物，开展植物纤维微球的制备及其对不同染料溶液的吸附特征研究。研究结果表明，3种植物纤维微球对碱性品红、结晶紫溶液的吸附容量都较大，而对中性红溶液的吸附容量相对较小；杏仁壳粉微球对染料溶液的吸附效果最好，其对结晶紫、中性红、碱性品红的去除率分别达到87.21%，70.37%，85.69%；不同含量植物纤维微球对3种染料溶液均具有较好的吸附效果，当植物纤维的质量分数为1%时，吸附效果最佳。活性炭微球对染料溶液的吸附速率最快，达到吸附平衡所需时间约为60 min。吸附动力学研究表明，3种植物纤维微球对3种染料溶液的吸附均符合Freundlich等温吸附方程，其吸附机理仍以物理吸附为主。植物纤维微球适用于染料废水的治理，可实现以废治废的目的。

植物纤维；微球；染料废水；吸附动力学

染料废水是难以处理的工业废水之一，它主要来源于印染加工行业，对周围环境具有很大的危害。目前，染料废水的处理方法有高级氧化法[1-2]、电化学法[3]、吸附法[4-5]、膜分离[6]、生物处理[7-8]等。其中吸附法具有处理速度快、效果好、操作简单等优点，已广泛应用于染料废水的治理[9-11]。然而，染料废水处理成本高、难以重复利用等问题一直困扰着吸附材料的应用。因此，积极研发一些吸附能力强、成本低廉的新型吸附填料成为当前的研究热点之一[12]。

植物纤维通常作为固体废弃物而被填埋或堆肥，近年来由于其具有多孔、可再生降解、价廉易得等优点而被制成吸附材料。谷军等利用绿色环保的碱、尿素、纤维素制备了再生纤维素微球，并探讨了其对Pb2+的吸附效果[13]；王艳等研究了Fe3O4-羧甲基纤维素-聚乙烯亚胺微球的制备及其对Cd2+的吸附性能[14]。然而，关于植物纤维处理染料废水的研究较少，尤其是植物纤维对不同类型染料废水的吸附机制尚不明确。

为此，本文利用植物纤维固体废弃物制备了3种植物纤维(杏仁壳粉、核桃壳粉、活性炭粉)微球，探讨了3种植物纤维微球对不同染料溶液的吸附效果及吸附机理，筛选出吸附能力强、价廉易得的微球材料，以实现植物纤维固体废弃物的资源化利用。

1 材料与方法

1.1植物纤维微球的制备

植物纤维微球的制备采用海藻酸钠法，即将不同质量(1 g、2 g、4 g)的植物纤维粉末(杏仁壳粉、核桃壳粉、活性炭粉)、3 g海藻酸钠分别加入100 mL蒸馏水中，混均后放入60 ℃水浴中加热，制得含有植物纤维的海藻酸钠溶液；然后将其滴入5%的氯化钙溶液中，形成含水的植物纤维微球，经冷冻干燥后，得到干燥多孔的植物纤维微球，如图1所示。

图1 冷冻干燥后的植物纤维微球(左、中、右分别为活性炭粉微球、核桃壳粉微球、杏仁壳粉微球)

1.2等温吸附实验

分别配制15 mg/L的结晶紫、中性红、碱性品红溶液作为3种模拟染料废水，将100 mL的染料溶液、1 g的植物纤维微球两两加至250 mL的锥形瓶中，在室温下进行磁力搅拌，分别在最大吸收波长589 nm(结晶紫)、530 nm(中性红)、543 nm(碱性品红)下，按一定时间间隔测定上清液中染料的浓度变化，以评价3种植物纤维微球对3种染料溶液的吸附性能。

2 结果与讨论

2.1植物纤维微球对染料溶液的吸附效果

不同含量植物纤维微球对3种染料溶液的吸附效果如图2所示。由图2可以看出，不同含量杏仁壳粉微球对3种染料溶液的吸附效果均较好，其中质量分数为1%的杏仁壳粉微球吸附能力最佳；不同含量的核桃壳粉微球、活性炭粉微球也表现出相似规律，因此，制备植物纤维微球合适的质量分数为1%。还可发现，杏仁壳粉微球、核桃壳粉微球对染料溶液的最大吸附效率较活性炭粉微球好，这表明采用海藻酸钠法制备微球可能对活性炭粉的微孔结构造成了一定的影响；其中杏仁壳粉微球对结晶紫、中性红、碱性品红溶液的去除率分别达到87.21%,70.37%,85.69%。

另外，杏仁壳粉微球、核桃壳粉微球、活性炭粉微球对3种染料溶液的吸附平衡时间分别约为150 min、120 min、60 min，可见活性炭粉微球对染料溶液的吸附速率最快，这可能是活性炭粉的比表面积较杏仁壳粉、核桃壳粉大的缘故。

(a)杏仁壳粉微球对结晶紫溶液的吸附效果

(b)杏仁壳粉微球对中性红溶液的吸附效果

(c)杏仁壳粉微球对碱性品红溶液的吸附效果

(d)核桃壳粉微球对结晶紫溶液的吸附效果

(e)核桃壳粉微球对中性红溶液的吸附效果

(f)核桃壳粉微球对碱性品红溶液的吸附效果

(g)活性炭粉微球对结晶紫溶液的吸附效果

(h)活性炭粉微球对中性红溶液的吸附效果

(i)活性炭粉微球对碱性品红溶液的吸附效果

注：A1、A2、A3分别指质量分数为1%，2%，4%的杏仁壳粉微球；B1、B2、B3分别指质量分数为1%，2%，4%的核桃壳粉微球；C1、C2、C3分别指质量分数为1%，2%，4%的活性炭粉微球

图2不同含量植物纤维微球对3种染料溶液的吸附效果

2.2植物纤维微球对染料溶液的吸附容量

不同含量的微球对不同染料溶液的平衡吸附量见表1。由表1可以看出，杏仁壳粉微球对结晶紫溶液、碱性品红溶液的吸附容量最大，最大平衡吸附量分别为1.39 mg/g、1.35 mg/g；而核桃壳粉微球对结晶紫溶液的吸附容量最大，最大平衡吸附量达到1.46 mg/g。 另外，还可发现3种植物纤维微球对碱性品红溶液和结晶紫溶液的吸附容量较大，而对中性红溶液的吸附容量相对较小。这可能是由于碱性品红溶液呈碱性，可对植物纤维进行表面改性而增加其亲水性，有利于增强植物纤维对碱性品红的吸附；此外，结晶紫溶液呈酸性，溶液中大量氢离子的存在会增加植物纤维微球的吸附位点，从而在一定程度上增强了植物纤维微球对结晶紫的吸附效果。

表1 不同含量的微球对不同染料溶液的平衡吸附量

温度、搅拌速度、染料废水的初始浓度、吸附剂的用量及粒径等因素均显著影响吸附材料的吸附性能[4,11-12]。汤亚飞等[11]实验结果表明，随着亚甲基蓝初始浓度的增加，生物炭对亚甲基蓝的吸附量逐步增大，其最大吸附量为5.54 mg/g；Li & Tao[4]研究发现，当龙眼壳粉的粒径为80～100目时，其对碱性品红及亚甲基蓝溶液的吸附量分别高达33.45 mg/g、38.45 mg/g。这显著高于本实验的研究结果，但直接采用植物纤维粉末进行吸附存在回收困难、容易流失等问题。因此，如何提高植物纤维微球的吸附性能是今后的研究方向。

2.3吸附动力学分析

Freundlich等温吸附模型拟合的吸附性能参数见表2,Langmuir等温吸附模型拟合的吸附性能参数见表3。

表2 Freundlich等温吸附模型拟合的吸附性能参数

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01

表3 Langmuir等温吸附模型拟合的吸附性能参数

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01

由表2、表3可以看出，3种植物纤维微球对3种染料溶液的吸附过程采用Freundlich等温吸附方程拟合的效果都较好，相关系数均在0.9以上；杏仁壳粉微球和核桃壳粉微球对3种染料溶液的吸附过程采用Langmuir等温吸附方程的拟合效果不理想，但活性炭粉微球的拟合效果较好，相关系数达到0.95以上。可见，植物纤维微球对染料溶液的吸附机理仍以物理吸附为主，化学吸附较少。

3 结论

1)3种植物纤维微球对碱性品红和结晶紫溶液的吸附容量较大，而对中性红溶液的吸附容量相对较小；杏仁壳粉微球对染料溶液的吸附效果最好，它对结晶紫、中性红、碱性品红溶液的去除率分别达到87.21%，70.37%，85.69%。

2)不同含量植物纤维微球对3种染料溶液均具有较好的吸附效果，当植物纤维的质量分数为1%时，吸附效果最佳。

3)活性炭微球对3种染料溶液的吸附速率最快，达到吸附平衡所需时间约为60 min。

4)吸附动力学研究表明，3种植物纤维微球对3种染料溶液的吸附均符合Freundlich等温吸附方程，其吸附机理仍以物理吸附为主。

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Study on Adsorption Characteristics of Plant Fiber Microspheres Treating Different Dye Solution

LiuBingxue1,2,3,HuangShuxin1,2,XiongShuting1,2,LiShengfang2,XiaoWensheng1,2,TaoMin1,2*

(1School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;3School of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan Hubei 430081)

The high cost has been one of the problems that puzzls the application of adsorption materials.Therefore,several plant fibers usually treated as solid waste were selected and made into plant fiber microspheres,and adsorption characteristics of the plant fiber microspheres treating different dye solution were studied.The results showed that adsorption capacity of three kinds of plant fiber microspheres on basic fuchsin and crystal violet solution were larger,while their adsorption capacity on neutral red solution were poor.The adsorption capacity of almond shell powder microsphere on dye solution was the best,which the removal rate of crystal violet,neutral red, basic fuchsin were 87.21%,70.37%,85.69%,respectively.The different content of plant fiber microspheres all had good adsorption capacity on three kinds of dye solution.When the mass fraction of plant fiber was 1%,the adsorption capacity of microspheres was the strongest.The adsorption rate of activated carbon microsphere to dye solution was the fastest,and the time to reach adsorption equilibrium was about 60 min.The adsorption kinetics studies showed that the adsorption of three kinds of fiber microspheres to three dye solutions followed the Freundlich isotherm adsorption equation,and the adsorption mechanism was still dominated by physical adsorption.It can be seen that the plant fiber microsphere is suitable for the treatment of dye wastewater,so as to achieve treating waste by waste.

plant fiber;microsphere;dye wastewater;adsorption kinetic

2017-06-12

黄石市科技支撑计划项目(项目编号2014A067)；矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室开放基金项目(项目编号2017107)；国家大学生创新创业训练计划项目(项目编号201410920017)；湖北理工学院大学生科技创新项目(项目编号14cx11)。

刘冰雪，硕士生。

*通讯作者：陶敏，副教授，博士，研究方向：水体修复技术与环境功能材料。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.05.006

X703.1

A

2095-4565(2017)05-0025-04

(责任编辑高嵩)