改性玉米秸秆活性炭制备及其对模拟废水的脱色性能

张伟光，张鑫庚，梁继宏，邢 进，邸 凯

（1.齐齐哈尔大学化学与化学工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006；3.齐齐哈尔大学图书馆，黑龙江齐齐哈尔 161006）

印染废水具有毒性大、色度高、难降解等特点［1］，如果不处理直接排入水体会产生严重的环境问题［2］，如水生植物光合作用和生长被抑制、水的透光性和溶解氧含量降低、水生生态系统被破坏等［3］。生物质主要有木质素、纤维素和半纤维素，在高温厌氧条件下通过裂解生成活性炭［4］，活性炭是高度芳构化的碳质材料［5］。活性炭具有发达的孔径结构、较大的比表面积、丰富的表面官能团［6-7］，且理化性质稳定，吸附和抗氧化能力强［8］，可作为高效吸附剂处理印染废水。活性炭吸附法具有操作简单［9］、经济、高效、环境友好等优点［10-11］。玉米在我国种植面积较大，其秸秆含碳量高、灰分少，因此可以玉米秸秆为原料制备活性炭。本实验制备改性玉米秸秆活性炭，并研究其对亚甲基蓝模拟废水的脱色性能。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：玉米秸秆（产自黑龙江齐齐哈尔），碳酸氢钾、氢氧化钠（天津市科密欧化学试剂有限公司），亚甲基蓝（辽宁省沈阳市化工厂）。

仪器：多段程序控温管式电阻炉（郑州科佳电炉有限公司），722 型分光光度计（上海精密仪器厂），ZD-2A 型自动电位滴定仪（南京科环分析仪器有限公司），pHS-25 型酸度计（上海精密科学仪器有限公司），HH-100 加热型恒温混匀仪（杭州佑宁仪器有限公司），标准检验筛（新乡市高服筛分机械有限公司），FZ102 微型植物粉碎机（苏州江东精密仪器有限公司），H1850高速离心机（湖南湘仪仪器有限公司）。

1.2 改性玉米秸秆活性炭的制备［10，12］

将玉米秸秆用清水洗干净，切成小块后干燥并粉碎，在管式电阻炉中500 ℃炭化3 h，过0.15 mm 筛后得到玉米秸秆活性炭。

将一定量活化剂碳酸氢钾加入去离子水中，充分搅拌溶解后，在不同浸渍比下加入一定量玉米秸秆活性炭，搅拌均匀后于105 ℃干燥24 h，置于管式电阻炉，在N2保护下以5 ℃/min 升温至500 ℃，保温2 h 进行炭化活化，冷却后取出，粉碎至80～150 目储存，备用。

1.3 模拟废水的制备及pH 调节

准确称取0.2 g 亚甲基蓝于1 L 容量瓶中，定容至刻度，摇匀即为模拟废水，用烧杯取150 mL，用10%的氢氧化钠溶液和0.1 mol/L 的盐酸调节pH。

1.4 吸附脱色实验

向模拟废水中加入一定量改性玉米秸秆活性炭，使用自动电位滴定仪控制pH，采用加热型恒温混匀仪控制温度并振荡，离心分离后得到上清液，在染料最大吸收波长处测定吸光度，计算脱色率：

式中，A0、A分别为处理前后模拟废水的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 改性活性炭的孔径结构

改性玉米秸秆活性炭的比表面积为887.6 m2/g，微孔比表面积为563.7 m2/g，总孔容为0.671 cm3/g，微孔孔容为0.396 cm3/g，平均孔径为2.97 nm。

由图1 可知，吸附前改性活性炭呈密集的孔状结构，孔的大小比较均匀，具有一定的吸附能力；吸附后改性活性炭的小孔吸附了废水中的物质，可以达到净化废水的目的。

图1 改性活性炭吸附前后的扫描电镜图

2.2 脱色率的影响因素

2.2.1 活化剂与改性活性炭质量比

由图2 可知，活化剂与改性活性炭质量比增大时，脱色率也逐渐增大，当质量比超过2.0 时，脱色率开始下降。原因是随着活化剂与改性活性炭质量比的不断增大，改性活性炭颗粒内部形成的微孔增多，当质量比增大到一定值时，过量的活化剂容易结块，堵住了已形成的微孔［13-14］，导致脱色率降低。

图2 活化剂与改性活性炭质量比对脱色率的影响

2.2.2 改性活性炭用量

由图3 可知，当改性活性炭用量增加时，脱色率增大，当用量超过0.65 g/L 后，脱色率呈缓慢下降趋势。这是因为随着改性活性炭用量的增加，吸附能力快速增强，但改性活性炭用量较多时容易发生聚集，导致吸附能力下降。故改性活性炭用量选择0.65 g/L。

图3 改性活性炭用量对脱色率的影响

2.2.3 温度

由图4 可知，脱色率随着温度的升高开始增大，超过35 ℃后又逐渐降低。原因是温度升高，分子热运动变得剧烈，使改性活性炭外表面的吸附速度加快；而温度过高会导致亚甲基蓝从改性活性炭中解析出来，脱色率下降。

图4 温度对脱色率的影响

2.2.4 pH

由图5 可以看出，脱色率随着pH 的增大而增大，当pH 大于9 时，脱色率趋于稳定。在碱性条件下，改性活性炭能吸附OH-，负电荷可以包围改性活性炭颗粒，亚甲基蓝在水中带正电荷，因此增大了改性活性炭的吸附能力。

图5 pH 对脱色率的影响

2.2.5 吸附时间

吸附时间对脱色率的影响见图6。

图6 吸附时间对脱色率的影响

由图6 可知，吸附时间在90～150 min 时，随着吸附时间的延长，脱色率增大较快；吸附时间超过180 min 后，脱色率曲线变化较平缓，基本达到吸附平衡状态，脱色率不再增大。

2.3 正交实验

由表1 可知，改性玉米秸秆活性炭对模拟废水脱色率的影响因素从主到次依次为改性活性炭用量、活化剂与改性活性炭质量比、吸附时间、温度、pH；优化脱色工艺为A3B3C2D3E3，即活化剂与改性活性炭质量比2.0、改性活性炭用量0.65 g/L、温度35 ℃、pH=9、吸附时间180 min。采用优化工艺进行3 次平行实验，脱色率分别为94.37%、94.58%、93.89%，平均脱色率为94.28%，与正交实验相符。

表1 L16（45）正交实验表

3 结论

改性玉米秸秆活性炭对亚甲基蓝模拟废水脱色的优化工艺为：活化剂与改性活性炭质量比2.0、改性活性炭用量0.65 g/L、温度35 ℃、pH=9、吸附时间180 min，平均脱色率为94.28%。