活性炭吸附活性黄3RS染料的研究

郭晋杰，王晓龙，张聚华,2，聂素双,2

(1.北京服装学院 材料设计与工程学院，北京 100029；2.北京服装学院 服装材料研究开发与评价北京市重点实验室，北京 100029)

印染工业所产生的染色废水处理问题已成为环保中不可避免的问题。印染废水具有水量大、有机污染物含量高、水质复杂等特点，属难处理的工业废水之一[1]。对于印染废水的处理，吸附法因其操作简单、成本低、处理效果好而被认为是最有效的处理方法之一[2]，需开发适用性较广的吸附剂并进行治理[3]。活性炭吸附法是一种应用较早的方法，该法对去除水中溶解性有机物非常有效[4]。活性炭是含碳物质经过高温热解和活化得到的一类多孔状碳化物[5]，活性炭有较大的比表面积，一般可达到500～1 500 m2/g，其吸附能力主要来源于具有较大的吸附比表面积[6-7]。活性炭目数越大，孔的扩散就越快，颗粒越大，孔的扩散就越慢，扩散速度越快，吸附能力越好[8]。选择合适的活性炭可以减少废水处理的成本，节约资源[9]。本文利用活性炭吸附处理染料废水，研究用量、温度、pH值等对处理效果的影响，发现活性炭对印染废水有很好的去除效果[10]。通过研究不同活性炭粒径对活性黄3RS染料模拟废水絮凝后滤液的吸附，比较了不同条件下活性炭对活性黄3RS染料的絮凝后滤液的去除率，为治理印染中产生的废水提供了重要的科学依据。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

材料：活性黄3RS染料(郑州同进商贸有限公司)；活性炭(425、120、75 μm，即35、120、200目，承德县中博活性炭厂)；硫酸铵、冰醋酸(分析纯，北京化工厂)；匀染剂(南通十全化工有限公司)。

仪器：722型可见分光光度计(上海欣茂仪器有限分公司)；恒温振荡水浴锅(靖江市新旺染整设备厂)；pHB-5便携式pH计(上海伟业仪器厂)；分析天平(奥豪斯公司)；锥形瓶；研钵；筛网；中速定性滤纸。

1.2 实验方法

1.2.1 吸附速率实验

在活性黄3RS染料的最大吸收波长410 nm处，使用722型可见光分光光度计，测定标准溶液的吸光度，测定待测溶液的吸光度。根据式(1)计算待测活性黄3RS染料溶液中染料的质量浓度。

Ct/C0=At×A0

(1)

式中：Ct为t时刻活性黄3RS染料溶液的质量浓度， mg/L；At为t时刻活性黄3RS染料溶液的吸光度；C0为标准活性黄3RS染料溶液的质量浓度，mg/L；A0为标准染料溶液的吸光度；Ct/C0为t时刻染料溶液的残留率。

1.2.2 去除率与平衡吸附量的测定方法

在一系列锥形瓶中，加入50 mL活性黄3RS模拟废水絮凝后的滤液，再加入一定量的活性炭，当恒温振荡器中振荡达到完全吸附平衡状态时，取吸附后的活性黄3RS染料溶液上层清液，取出后用滤纸过滤，在活性黄3RS染料的最大吸收波长410 nm处，用722分光光度计测定滤液的吸光度。根据式(2)、(3)计算去除率和计算单位质量吸附剂的平衡吸附量。

η=1-At/A0×100%

(2)

Qe=(C1-Ct)×V/W

(3)

式中：η为吸附剂的去除率，mg/g；At为t时刻染料溶液的吸光度；A0为标准染料溶液的吸光度；Qe为吸附剂的平衡吸附量，mg/g；C1为活性黄3RS染料溶液的初始质量浓度，mg/L；V为活性黄3RS染料溶液的体积，L；W为吸附剂的质量，g。

1.2.3 静态吸附动力学模拟

用活性炭对活性黄3RS染料的静态吸附动力学公式对其变化速率曲线进行拟合，其线性式为准二级动力学方程，是研究活性炭吸附动力学常用的模型。

t/Qt=1/(K2·Qe2)+t/Qe

(4)

式中：K2为吸附速率常数，min-1；Qe为活性炭吸附活性黄3RS染料达到平衡时吸附染料的量，mg/g，Qt为t时刻单位质量活性炭吸附活性黄3RS染料的量，mg/g。

2 结论与讨论

2.1 活性炭用量及粒径对染料去除率的影响

在一系列锥形瓶中，加入50 mL活性黄3RS模拟废水絮凝后的滤液，分别加入活性炭质量为0.06、0.10、0.20、0.30、0.40 g，粒径为35、120、200目，温度为30 ℃恒温振荡，分别在10、15、20、30、60、120、180、240、300 min取活性黄3RS染料上层清液，过滤后测其吸光度，计算去除率，结果见图1～3。

图1 不同质量35目活性炭对去除率的影响

图2 不同质量120目活性炭对去除率的影响

图3 不同质量200目活性炭去除率的影响

由于活性炭的加入量和粒径改变对活性黄3RS的染料模拟废水的吸附效果均有影响，随着振荡时间的增加，活性黄3RS染料的去除率增速趋缓， 2.5～3.0 h后达到平衡。分别从活性炭加入量和粒径两方面讨论活性黄3RS染料模拟废水的去除率。

由图1～3可知：随着活性炭加入量增加，对活性黄3RS染料模拟废水的去除率明显增加，当加入量达到一定值时，活性黄3RS染料模拟废水的去除率增加变平缓，这是因为吸附过程中活性炭增多使得活性黄3RS染料扩散的路径增长，同时导致活性炭上的吸附位点发生了重叠和聚集，其对活性黄3RS染料的去除率增加变慢。活性炭对活性黄3RS模拟染色废水随着活性炭目数的增大，使得对活性黄3RS染料的去除率明显提高，内表面积和外表面积共同吸附是活性炭的表面积吸附的2个特征，当活性炭的目数较小时，外比表面积较小，活性炭的外表面吸附位点吸附平衡后，所以活性黄3RS染料分子会穿过活性炭表面向其微孔中扩散，并与活性炭内表面的吸附位点发生吸附，而吸附性质主要来自巨大的内表面积，活性炭研碎磨细不会明显提高吸附力。随着活性炭的加入量和粒径增加，絮凝后滤液中活性黄3RS染料的去除率均提高；由于活性黄3RS染料的初始质量浓度、染料溶液的温度和pH值等，对染料的去除率都有影响，本文实验选用在50 mL活性黄3RS染料模拟废水中加入0.1 g、35目活性炭进行后续研究。

2.2 初始质量浓度对染料吸附的影响

活性黄3RS染料模拟废水的初始质量浓度是影响吸附的因素之一。将0.1 g、35目的活性炭加到活性黄3RS染料的50 mL 的锥形瓶中，在振荡器中30 ℃的条件下振荡1 h，当处于吸附平衡时从锥形瓶中取上层清液，并测其吸光度，结果如图4所示。

图4 初始质量浓度对去除率的影响

由图4可知，活性黄3RS染料的初始质量浓度由20 mg/L上升到500 mg/L时，活性黄3RS染料的去除率下降，因此选择活性黄3RS染料的初始浓度为20 mg/L。由结果可知，适用于活性黄3RS染料的质量浓度低于20 mg/L以下的活性炭吸附，对于活性黄3RS染料高于20 mg/L时，先将染料溶液稀释到20 mg/L以下，再通过活性炭吸附活性黄3RS染料，达到的效果较佳。

活性黄3RS染料的初始质量浓度对平衡吸附量的影响见表1。

表1 初始浓度对平衡吸附量的影响

由表1可知，当活性黄3RS染料的初始质量浓度从20 mg/L上升到200 mg/L，平衡吸附量逐渐上升，当质量浓度继续由200 mg/L上升至500 mg/L时，平衡吸附量基本不变，因为随着活性黄3RS染料初始质量浓度增加，有较多的活性黄3RS染料结合到其表面，同时吸附位点也被更多的活性黄3RS染料包围，达到饱和吸附。

2.3 pH值对活性炭吸附染料的影响

活性黄3RS染料废水的初始质量浓度为20 mg/L，测得其pH值为6.0，将0.1 g、35目活性炭加到活性黄3RS染料废水的50 mL的锥形瓶中，采用1.0 mol/L的HCl溶液进行滴定，调节其pH值，在振荡器30 ℃下对其染料振荡，分别在10、15、20、30、60、120、180、240、300 min取活性黄3RS染料的清液，并测其吸光度。分别测试pH值为2.0、4.0、6.0条件下活性炭对活性黄3RS染料废水的吸附效果，结果见图5。

图5 pH值对去除率的影响

由图5可知，当pH值为4.0时，活性炭吸附活性黄3RS染料去除率为91%，当pH值为2.0和6.0时，活性黄3RS染料的去除率接近85%。这是因为活性黄3RS染料废水的pH值会对染料分子在水中存在的状态及溶解度产生相应影响，进一步会影响活性炭对活性黄3RS染料吸附的效果。本文实验选用pH值4.0为吸附条件。

2.4 温度对活性炭吸附染料的影响

将活性黄3RS染料模拟废水调到pH值4.0，把0.1 g、35目的活性炭加到50 mL 初始质量浓度为20 mg/L的活性黄3RS模拟染色废水的锥形瓶中，分别设置振荡器温度为30、50、80 ℃，并分别恒温振荡，分别在10、15、20、30、60、120、180、240、300 min取活性黄3RS染料上层清液，测其吸光度。温度变化对去除率的影响见图6。

图6 温度对去除率的影响

由图6可知，不同温度下，活性黄3RS染料的质量浓度随时间的变化各不相同，温度越高变化越快；且去除率随温度的升高而增加，温度达50 ℃和80 ℃时去除率接近100%。这是因为在活性黄3RS染料溶液中，在活性炭颗粒内部的溶质分子随着温度升高，扩散速度加快，使吸附速率增加，温度对吸附速率有影响。所以当吸附时间一定时，随着温度的升高活性炭的吸附量变高，活性黄3RS染料模拟废水的去除率升高。本文实验选择50 ℃为实验温度。

2.5 活性炭吸附染料的吸附动力学

取活性黄3RS染料初始质量浓度20 mg/L，pH值4.0，温度50 ℃，35目活性炭0.1 g，用活性炭对活性黄3RS染料模拟废水进行吸附。活性炭对活性黄3RS染料模拟废水的吸附时间t与残留率Ct/C0之间的关系曲线见图7。

图7 活性炭对活性黄3RS染料模拟废水的吸附曲线

由图7可看出，反应初始阶段，活性黄3RS染料模拟废水浓度随时间的延长迅速下降，后来逐渐趋于平衡。这是因为开始时，活性炭的活性位全部处于自由状态，活性黄3RS染料模拟废水溶液与活性炭的浓度梯度大，所以吸附速度较快，随着吸附时间的延长，活性炭上的活性位减少，活性黄3RS染料模拟废水溶液与活性炭的浓度梯度减小，所以吸附速度下降，随后达到平衡。

图8为活性炭对活性黄3RS染料的静态吸附动力学试验中Ct/C0随t的变化。用t/Qt=1/(K2·Qe2)+t/Qe公式对其变化速率曲线进行拟合，拟合后的曲线见图8。

图8 准二级动力学方程模拟曲线

由图8可以看出，t/Qt与t具有线性相关性，吸附速率常数K2=38.575，平衡吸附量Qe=5.033 58，相关系数R2=0.999 87。用准二级动力学方程模拟活性炭对活性黄3RS染料的吸附，其相关系数R2>0.95，表明活性黄3RS染料在活性炭上的吸附动力学遵循准二级动力学方程。

3 结 论

①在实验浓度范围内，用动力学速度方程对吸附曲线进行拟合，其相关系数R2>0.95，活性炭的吸附遵循准二级动力学方程。

②活性炭静态吸附活性黄3RS染料模拟废水最佳条件为：模拟废水初始质量浓度20 mg/L、pH值4.0、温度50 ℃，35目活性炭质量0.1 g，去除率达99.9%。