对印染废水中甲基橙去除的新方法研究

黄 捷

（绍兴市第一初级中学 浙江绍兴 312000）

对印染废水中甲基橙去除的新方法研究

黄 捷

（绍兴市第一初级中学 浙江绍兴 312000）

本文主要研究了碳纳米管-铁氧化物磁性复合材料（磁性碳纳米管）在吸附处理甲基橙方面的应用。分别研究了甲基橙初始浓度、吸附剂投加量、吸附时间、溶液温度和pH值等工艺条件对甲基橙吸附率的影响。结果表明，在甲基橙初始浓度为2 mg/L，吸附剂投加量4 g/L，吸附时间30 min，pH值为3的条件下，吸附率达到了63.99%。磁性碳纳米管吸附甲基橙的吸附率随着吸附剂的用量增大而增大；在20 min以前，甲基橙的吸附率随着时间的增加而增大，到达30 min后吸附率基本保持不变；甲基橙的吸附率随着起始甲基橙的浓度的增加而减小。另外，酸性溶液有利于磁性碳纳米管吸附甲基橙，随着pH的增大吸附率逐渐减小，当溶液呈碱性时，pH对吸附率的影响逐渐减小。

磁性碳纳米管；甲基橙；吸附去除

前言

随着化工企业的兴起，工业废水也越来越多。我国主要的工业废水来源于印染废水，它的污染物主要包括染料，成分非常复杂，这些染料一般具有复杂的芳环结构，并具有难分解、毒性大等特点。如果不经过处理就排放印染废水，就会污染环境。因此，选择一个合理的处理印染废水的方法非常重要。目前，治理印染废水的方法主要有吸附法、氧化法、絮凝法、电化学法、膜分离法、生化法等，其中吸附法因其能耗低、工艺简单、无二次污染等优点有着广泛的应用[1,2]。碳纳米管因为其具有非常特别的管状结构和较大的比表面积，并且具有良好的热稳定性和化学惰性，因此在处理印染废水中被广泛应用。但是碳纳米管不易回收利用，再生费用高，在大规模化应用受到了极大的限制，所以找到一个如何有效分离吸附剂的方法是目前主要研究的方向。将碳纳米管做成磁性碳纳米管，利用磁分离技术回收，具有安全、省时、价廉等优点[3,4]。为此，本文将应用磁分离技术研究碳纳米管吸附去除甲基橙的性能。考察甲基橙浓度、吸附剂投加量、吸附时间、pH值等众多因素对吸附的影响，并探究了整个工艺的最佳使用条件。该工艺操作简单方便、易于控制、成本低、吸附剂回收方便。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

碳纳米管(CNTs)(CNT102型，深圳比尔科技公司)，六水合氯化铁(≥99.0%，湖北盛世环保科技有限公司)，七水合氯化亚铁(≥99.0%，上海凌峰化学试剂有限公司)，氢氧化钠(≥97.0%，上海凌峰化学试剂有限公司)，浓盐酸(≥96.0%，巩义市威泰净水材料有限公司)，甲基橙(≥99.0%，浙江三鹰化学试剂有限公司)。

冷冻离心机(GTR16-2型，北京时代北利离心机有限公司)，pH计 (pHB-3，上海三信仪表厂)，电子天平(AB204-N，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司)，恒温水浴锅(HH-501型，常州中捷实验仪器制造有限公司)，可见分光光度计(722型，上海光谱仪器有限公司)，移液管(上海东星建材实验设备有限公司)。

2.2 碳纳米管-铁氧化物磁性复合材料制备

在氧化碳纳米管表面采用Fe2+和Fe3+的共沉淀法制备得到磁性碳纳米管。具体操作如下：称取2g氧化碳纳米管（用3 mol·L-1HNO3氧化处理过表面官能基团化的碳纳米管）配成500mL悬浮液，用超声分散溶解。再称取2.98 g的FeCl3·6H2O 和 1.53 g的 FeSO4·7H2O并配制成20.0 mL溶液。并配制0.5 mol·L-1的NaOH溶液30.0 mL。在70℃恒温条件下，通入氮气作为保护气体，将20.0 mL的Fe3+/Fe2+溶液和30.0 mL的NaOH溶液逐滴滴入500.0 mL的氧化碳纳米管悬浮液中，滴加完后，调节介质pH到11.0左右，继续搅拌1小时左右，在70℃下老化4小时后过滤，并用去离子水洗涤，烘干后研磨备用[4]。

2.3 测定方法

利用pHB-3型pH计测定pH值。利用722型可见光分光光度计测定甲基橙溶液的最大吸光度。具体步骤如下：量取反应后的溶液5mL,用GTR16-2型高速冷冻离心机在2000r/min离心10min，取上层清液置于比色皿中，用分光光度计测出最大吸光度。甲基橙去除率的计算：MO 去除率=（C0-Cc）/C0×100%，式中 C0 为吸附前MO的质量浓度，Cc为吸附后MO的质量浓度。吸附量的计算：Q=(C0-CC)V/WCNTs，式中Q为磁性碳纳米管对甲基橙溶液的吸附量（mg·g-1）；C0和CC分别为吸附前、吸附后甲基橙溶液的质量浓度（mg·L-1）；V为加入的甲基橙的体积（L）；WCNTs为加入的磁性碳纳米管的质量（g）[5]。

3 结果与讨论

3.1 甲基橙初始浓度对吸附的影响

分别配制质量浓度为2.0 mg/L、5.0 mg/L、7.0 mg/L、10.0 mg/L的甲基橙溶液，在室温下，搅拌速度不变、吸附剂投加量不变（2.0g/L）、吸附反应时间设为30 min和pH=6.0的条件下，取上层清液测其吸光度，其结果如图1所示。如图1所示，磁性碳纳米管对水中甲基橙的吸附随着甲基橙初始浓度的增大而减小，在甲基橙初始浓度分别为 2.0 mg/L、5.0 mg/L、7.0 mg/L、10.0 mg/L 时，吸附剂对甲基橙的去除率分别为47.09%、44.33%、4.64%、4.66%。当甲基橙初始浓度为2.0 mg/L时，吸附剂对甲基橙去除率达到最高，达到了47.09%。综合上述考虑，确定了最佳甲基橙初始浓度为2.0 mg/L。

图1 甲基橙初始浓度对吸附的影响

3.2 吸附剂投加量对吸附的影响

图2 吸附剂投加量对吸附的影响

在室温下，控制搅拌速度不变，甲基橙初始浓度不变（5.0mg/L）、吸附反应时间设为30min和pH=6.0的条件下，磁性碳纳米管的浓度设为：0.5g/L、1.0g/L、2.0g/L、3.0g/L、4.0g/L,取上层清液测其吸光度，其结果如图2所示。如图2所示，磁性碳纳米管对水中甲基橙的吸附随着吸附剂浓度的增大而增大，在吸附剂浓度分别为0.5g/L、1.0g/L、2.0g/L、3.0g/L、4.0g/L 时，吸附剂对甲基橙的去除率分别为27.68%、32.50%、44.33%、52.36%、63.99%。当磁性碳纳米管浓度为4.0g/L时，吸附剂对甲基橙去除率达到最高，达到了63.99%。综合上述考虑，确定了最佳吸附剂浓度为4.0g/L。

3.3 吸附时间对吸附的影响

图3 吸附时间对吸附的影响

在室温下，搅拌速度不变，甲基橙初始浓度不变（5.0mg/L）、吸附剂投加量不变（2.0g/L）和 pH=6.0的条件 下 ， 吸 附 时 间 设 为 ：5min、10min、15min、20min、30min、40min、60min，取上层清液测其吸光度，其结果如图3所示。如图3所示，磁性碳纳米管对甲基橙的吸附随着时间的增大而增大，但在30min后基本保持不变，在吸附时间分别为 5min、10min、15min、20min、30min、40min、60min时，吸附剂对甲基橙的去除率分别为 35.91%、39.92%、43.73%、42.33%、44.33%、45.14%、46.34%。当吸附时间为30min时，吸附剂对甲基橙去除率基本已达到最高，达到了44.33%。综合上述考虑，确定了最佳吸附时间为30min。

3.4 溶液pH值对吸附的影响

在室温下，控制搅拌速度不变，甲基橙初始浓度不变（5.0 mg/L）、吸附剂投加量不变（2.0 g/L）和吸附反应时间设为30 min的条件下，调节甲基橙溶液初始pH为 3.0、5.0、7.0、8.0、10.0，取上层清液测其吸光度，其结果如图4所示。如图4所示，磁性碳纳米管对甲基橙的吸附随着pH值的增大而减小，但在碱性溶液中磁性碳

图4 溶液pH值对吸附的影响

纳米管对甲基橙的吸附随pH的变化影响不大，在溶液pH 值分别为 3.0、5.0、7.0、8.0、10.0 时，吸附剂对甲基橙的去除率分别为 50.35%、25.88%、25.08%、28.69%、26.28%。当控制溶液pH值为3.0时，吸附剂对甲基橙去除率达到最高，达到50.35%。综合上述考虑，确定了最佳pH值为3.0。

3.5 磁性碳纳米管对甲基橙溶液的吸附等温线

图5 磁性碳纳米管对甲基橙溶液的吸附等温线

从图5中可以看出，磁性碳纳米管对水中甲基橙的吸附随着水中甲基橙溶液浓度的增加而增大，且温度越高，同一甲基橙浓度下吸附量越大。随着水中甲基橙溶液浓度的增大，吸附量逐渐增大，但是甲基橙浓度到达一定程度后，吸附量渐渐保持不变，趋向于稳定。这表明此次研究符合Langmuir方程。

结论

本研究提出了用碳纳米管-铁氧化物磁性复合材料吸附去除甲基橙的工艺。采用了液相共沉淀法制备吸附剂碳纳米管-铁氧化物磁性复合材料。探索了磁性碳纳米管对甲基橙处理效果的主要因素，确定了吸附剂投加量4 g/L，吸附时间30 min，pH值为3的条件下，吸附率达到了63.9%。本研究的用磁性碳纳米管吸附甲基橙工艺可以较好的处理印染废水污染问题。同时，利用碳纳米管-铁氧化物磁性复合材料的铁磁性，可以比较方便地回收利用吸附剂，降低了该工艺的成本，使得印染企业可以更加快速的发展。

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[4]陈长伦.碳纳米管与放射性核素作用机理和模式[D].博士学位论文,合肥：中国科学院等离子体物理研究所,2008.

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