核桃壳生物炭吸附处理罗丹明B的性能研究

李丙阳 刘国芳 赵子琦 赵杨杨 唐然肖

【摘 要】本文研究了核桃壳生物炭对罗丹明B的吸附特性，考察了吸附剂用量、溶液的pH、染料溶液浓度、氯化钠对吸附平衡的影响。实验结果表明核桃壳生物炭能有效吸附去除溶液中的罗丹明B，该吸附不受溶液pH和其它强电解质的影响。而且核桃壳生物炭可回收再利用5次，去除率仍可达到93.17%。

【关键词】核桃壳生物炭;吸附;罗丹明B

罗丹明B是一种人工合成的染料，在腈纶、造纸、油漆、钢铁、矿业等领域应用十分广泛，但罗丹明B有毒，对人体会有潜在的致癌、致畸和致突变的危害[1]，处理罗丹明B的常用方法有电化学法、光催化降解法、吸附法、超声降解法等[2-5]。其中吸附法具有操作方便、成本低廉、无二次污染、污染物去除率高[6-7]等优点，应用较为普遍。近年来有关染料污染防治研究的重点是生物吸附[8-10]，即利用廉价、可再生、来源广泛的生物质材料吸附去除水体中的有机污染物。与传统吸附剂相比，生物质吸附剂具有表面积大、成本低、吸附效率高等优点，生物质材料不仅来源广泛、价格低廉，还符合“变废为宝”、“低碳环保”的可持续发展理念[11，12]。

我国是一个农业大国，核桃作为一种富含营养素的坚果类食品深受老百姓喜爱，每年核桃产量超过2×104吨，核桃壳既不能食用，也不能作牲畜饲料，却是一种很好的生物质，但多数核桃壳都被视作农业废弃物焚烧处理，这样不仅会浪费大量的生物质，还会对环境造成污染。由于核桃壳中含有丰富的纤維素、木质素等，可制成生物炭，核桃壳生物炭具有较强的吸附能力，可作为吸附剂吸附处理环境中的有机污染物。

本文欲用课题组制备所得的核桃壳生物炭吸附处理罗丹明B溶液，研究吸附剂用量、pH值、溶液浓度、其它强电解质等因素对吸附平衡的影响，并进一步探索吸附剂回收再利用的性能。

1. 吸附实验

1.1吸附剂用量对吸附性能的影响

移取4份浓度为100 mg·L-1的罗丹明B溶液，分别按照下列标准加吸附剂0.10 g·L-1、0.25 g·L-1、0.50 g·L-1和0.75 g·L-1，置于恒温振荡器中，按设定时间依次取样，过滤后测定溶液中残留罗丹明B的浓度，计算核桃壳生物炭对罗丹明B的去除率R，计算公式如下：

其中，R是核桃壳生物炭对罗丹明B的去除率;c0为吸附前罗丹明B的浓度（mg·L-1）;ct是任一吸附时间时罗丹明B的浓度（mg·L-1）。

1.2 pH对吸附性能的影响

取浓度为100 mg·L-1的罗丹明B溶液于锥形瓶中，用0.10 mol·L-1HCl或NaOH溶液调节溶液pH值，分别为2、4、6、9、11，加入最佳用量的核桃壳生物炭吸附剂，置于恒温振荡器中，按设定依次时间取样，计算吸附的去除率R。

1.3吸附动力学实验

取不同初始浓度的罗丹明B溶液，加入最佳用量的核桃壳生物炭，置于恒温振荡器中，按设定时间依次取样，计算吸附的去除率R。

1.4 其他电解质对吸附的影响

取三份浓度为100 mg·L-1的罗丹明B溶液，加入最佳用量的核桃壳生物炭，向溶液中分别加入1%、5%和10%的NaCl，置于恒温振荡器中，按设定时间依次取样，计算吸附的去除率R。

1.5 吸附剂的再生实验

取一定量浓度为100 mg·L-1的罗丹明B溶液，加入20 mg回收的核桃壳生物炭，置于恒温振荡器中，按设定时间依次取样，计算吸附的去除率R。

2 结果与讨论

2.1吸附剂的用量对吸附性能的影响

吸附剂的用量对去除率的影响见图1。由图可知，核桃壳生物炭对水中罗丹明B的去除率随吸附剂用量的增加而增大。当吸附剂用量达到0.5 g·L-1时，罗丹明B去除率为99.88%，达到去除罗丹明B的效果，再增加吸附剂的用量去除率变化不大，这是因为吸附剂用量越大，提供的吸附活性位点越多，所以核桃壳生物炭对水中罗丹明B的去除率越大;但是随着再增加吸附剂用量时，由于吸附剂的重叠或聚合，导致吸附能利用的表面积和有效的吸附活性位点相应减少。罗丹明B去除率反而变化不大。基于以上考虑核桃壳生物炭的最佳用量选择0.5 g·L-1。

2.2 溶液pH对吸附效果的影响

溶液pH是影响吸附平衡的一个重要因素，是实际吸附是否调节溶液pH的重要依据，实验结果见图2。由图可知罗丹明B在核桃壳生物炭上的吸附不随溶液pH变化而改变，pH基本维持在99%左右，因此在以后的实验过程中不用调节溶液的pH值。

2.3溶液浓度的影响

在恒定温度和溶液pH值条件下，罗丹明B的溶液浓度对吸附效果的影响见图3。由图中的数据可知，罗丹明B在核桃壳生物炭上的去除率随溶液初始浓度的增加而降低，吸附达到平衡的时间也越长，但吸附罗丹明B溶液浓度范围比较大，当吸附剂用量为0.5 g·L-1，吸附120 min时，300 mg·L-1罗丹明B溶液的去除率能达到77.8%。

2.4其他强电解质对吸附效果的影响

溶液中其他强电解质的存在对吸附有重要的影响，是染料吸附处理需要考察的一个因素，本实验以NaCl为例考察不同浓度强电解质对吸附平衡的影响，实验结果见表4。由表中数据可知，其他强电解质NaCl的存在对罗丹明B在核桃壳生物炭上的吸附平衡没有明显的影响。

2.5吸附剂的重复再利用

将使用过的吸附剂进行回收处理，并将其再用于吸附处理罗丹明B溶液，实验结果见表2。

由表中的数据可知，核桃壳生物炭可重复再利用，重复使用5次去除率仍可达到93.17%，基本能达到去除废水中罗丹明B的目的，所以核桃壳生物炭可重复再利用，符合低碳经济的概念。

3.结论

核桃壳生物炭吸附处理罗丹明B染料模拟废水时，当核桃壳生物炭的投加量是0.5 g·L-1时，罗丹明B的去除率为99.88%，并且该吸附不受溶液pH值的影响，所以在实际实验过程中不用调节溶液的pH值。核桃壳生物炭吸附剂可重复再利用5次，去除率仍可达到93.17%;其他电解质的存在对吸附有影响但影响不大，实际处理时可不用过多考虑。本实验为农业废弃物的处理方式开辟了新途径，具有较大的经济效益和环保效益。

参考文献：

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基金项目：

2020年大学生创新创业训练校级计划项目资助（项目编号：2020263;2020264）

作者简介：

李丙阳（1999-），男，河北邢台人。

通讯作者：

唐然肖（1979-），女，河北无极人。

（作者单位：河北农业大学）