吸附条件对香蕉叶活性炭吸附效果的影响

赖晓琳,张 刚

(漳州卫生职业学院药学系，福建 漳州 363000)

活性炭是木质、煤质和石油焦等含碳的原料经热解、活化加工制备而成，具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面化学基团，特异性吸附能力较强的炭材料的统称[1]。活性炭的活化方法有化学活化法、物理活化法、物理-化学活化法等。化学活化法是将原料与化学试剂混合均匀后，经炭化活化的过程制备活性炭。近年来，国内外对化学活化法的研究较多。孟莉蓉等[2]以豆饼为原料，700℃下制备了活性炭，并通过KOH刻蚀对其进行改性处理，其对Pb2+的吸附量可达711.0 mg·g-1。Foo等[3]以木屑为原料，用K2CO3活化制备活性炭，其对亚甲基蓝的吸附量可达423.17 mg·g-1。曾玉彬等[4]以柚子皮和核桃壳等为原料，用磷酸活化制备生物质活性炭，其对亚甲基蓝的吸附值达 574.6mg·g-1。

本研究以漳州盛产的香蕉叶为原料，以KOH为活化剂，经高温炭化制备香蕉叶活性炭，并将其应用于有机染料亚甲基蓝的吸附。讨论了吸附条件对吸附效果的影响，旨在为香蕉叶的废物利用提供一种可行的方法。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

香蕉叶、无水乙醇、氢氧化钾、浓盐酸、亚甲基蓝(均为分析纯)。水为去离子水。

1.2 仪器与设备

FA1004电子分析天平，SHA-C恒温水浴振荡器，T6型紫外可见分光光度计，BJ-150中药粉碎机，101-1A立式电热恒温鼓风干燥箱，FE20K酸度计，SX箱式电阻炉。

1.3 实验方法

1.3.1 香蕉叶粉末的制备

将新鲜香蕉叶用去离子水洗净，105 ℃下烘干24h，粉碎过0.147mm筛。将香蕉叶粉末与无水乙醇按一定的配比，在超声清洗器中提取缩合单宁后，收集滤液，滤渣干燥，避光保存。

1.3.2 香蕉叶活性炭的制备

将香蕉叶粉末与KOH按5∶1的比例混合，加入一定量的去离子水混匀，700℃下高温煅烧90min后，用2mol·L-1的HCl和水洗至中性，干燥，过0.074mm筛。

1.3.3 亚甲基蓝标准曲线的绘制

配制不同浓度的亚甲基蓝溶液，在653 nm波长下用紫外分光光度计测定其吸光度，绘制标准曲线。标准曲线方程为y=0.2091x-0.0038，R²=0.9997。

图1 亚甲基蓝标准曲线Fig.1 The standard curve of methylene blue

1.3.4 吸附条件对吸附效果的影响

精确称取一定质量的香蕉叶活性炭于 150mL锥形瓶中，加入一定量的亚甲基蓝溶液，改变亚甲基蓝初始浓度、吸附时间、香蕉叶活性炭用量、pH值、吸附温度等因素，测定吸附后的亚甲基蓝溶液的质量浓度，计算吸附率，考察各吸附条件对吸附效果的影响。

1.3.5 亚甲基蓝吸附率的计算方法

采用紫外分光光度法测定滤液中亚甲基蓝的质量浓度，计算香蕉叶活性炭对亚甲基蓝的吸附率R。

式中，C0为亚甲基蓝的初始质量浓度，mg·L-1；Ct为吸附t时刻亚甲基蓝的质量浓度，mg·L-1。

1.3.6 香蕉叶活性炭与未炭化活化的香蕉叶粉末吸附效果的比较

分别称取香蕉叶活性炭和未炭化活化的香蕉叶粉末各0.05g，加入100mL质量浓度为200mg·L-1的亚甲基蓝溶液，30℃下振荡至吸附平衡，测定剩余的亚甲基蓝质量浓度，比较香蕉叶活性炭与未炭化活化的香蕉叶粉末的吸附效果。

2 结果与分析

2.1 吸附条件对吸附效果的影响

2.1.1 亚甲基蓝初始浓度对吸附效果的影响

亚甲基蓝溶液体积为100mL，香蕉叶活性炭的用量为0.05g，吸附时间为2h，温度25℃，考察亚甲基蓝初始浓度对吸附效果的影响，结果如图2所示。亚甲基蓝的浓度小于200 mg·L-1时，香蕉叶活性炭对亚甲基蓝的吸附率变化不大；亚甲基蓝的浓度大于200 mg·L-1时，香蕉叶活性炭的吸附率迅速下降。这是因为亚甲基蓝的浓度为200 mg·L-1时，0.05g的香蕉叶活性炭对亚甲基蓝的吸附已接近饱和，活性位点几乎被占满，无法再继续吸附亚甲基蓝，所以继续增大亚甲基蓝的浓度，吸附率呈下降趋势。

图2 亚甲基蓝初始浓度的影响Fig.2 The effect of concentration of methylene blue

2.1.2 吸附时间对吸附效果的影响亚甲基蓝溶液体积为100mL，香蕉叶活性炭的用量为0.05g，温度25℃，亚甲基蓝的初始浓度为200mg·L-1，考察吸附时间对吸附效果的影响，结果如图3所示。吸附时间为5min 时，吸附率已经达到90.75%，这是因为吸附初期，亚甲基蓝的浓度较高，

且香蕉叶活性炭表面存在大量的活性吸附位点，接触较为充分。随着吸附过程的进行，香蕉叶活性炭表面的活性吸附位点逐渐被亚甲基蓝占据，吸附速率逐渐变缓[5]。120min后，香蕉叶活性炭对亚甲基蓝的去除率基本保持不变，吸附达到平衡。吸附时间过长会增加实际生产中的能耗，综合考虑吸附率及能耗因素，选择吸附时间为120min为宜。

图3 吸附时间的影响Fig.3 The effect of adsorption time

2.1.3 香蕉叶活性炭用量对吸附效果的影响

亚甲基蓝溶液体积为100mL，温度25℃，亚甲基蓝的初始浓度为200mg·L-1，吸附时间为2h，考察香蕉叶活性炭的用量对吸附效果的影响，结果如图4所示。随着香蕉叶活性炭用量增大，吸附率逐渐增大，香蕉叶活性炭的用量为0.05g时，吸附率可达到99.22%，此时溶液几乎呈无色透明状，说明0.05g的香蕉叶活性炭用来处理100mL浓度为200mg·L-1的亚甲基蓝溶液，可达到很好的效果。

图4 香蕉叶活性炭用量的影响Fig.4 The effect of banana leaves activated carbon dosage

2.1.4 pH值对吸附效果的影响

亚甲基蓝溶液体积为100mL，温度25℃，亚甲基蓝的初始浓度为200 mg·L-1，吸附时间为2h，香蕉叶活性炭的用量为0.05g，考察pH值对吸附效果的影响，结果如图5所示。随着溶液pH值增大，香蕉叶活性炭吸附亚甲基蓝的曲线先增大后趋于平缓。这是因为 pH 值较小时，亚甲基蓝溶液中H+的浓度很高，香蕉叶活性炭表面被高度质子化，有效基团被H+包围，高浓度的H+阻碍了香蕉叶活性炭对亚甲基蓝的吸附；pH达到中性后，香蕉叶活性炭表面的质子化程度降低，有效基团吸附亚甲基蓝的效果逐步提高[6]。综合考虑吸附率和成本，香蕉叶活性炭吸附亚甲基蓝适合在中性条件下进行。

图5 pH的影响Fig.5 The effect of pH

2.1.5 温度对吸附效果的影响

亚甲基蓝溶液体积为100mL，亚甲基蓝的初始浓度为200mg·L-1，吸附时间为2h，香蕉叶活性炭的用量为0.05g，考察温度对吸附效果的影响，结果如图6所示。香蕉叶活性炭对亚甲基蓝的吸附率，随温度的升高先增大后减小，45℃时吸附率最大。但在本实验的温度条件下，吸附率在99.2%～99.5%之间，总体变化幅度不大。为了节省能耗，选择常温为宜。

图6 温度的影响Fig.6 The effect of temperature

2.2 未炭化活化的香蕉叶粉末与香蕉叶活性炭吸附效果的比较

亚甲基蓝溶液体积为100mL，亚甲基蓝的初始浓度为200mg·L-1，温度25℃，吸附时间为2h，香蕉叶活性炭的用量为0.05g，分别用未炭化活化的香蕉叶和香蕉叶活性炭进行吸附，结果见图6。未炭化活化的香蕉叶对亚甲基蓝的吸附率为58.5%，香蕉叶活性炭对亚甲基蓝的吸附率为99.22%，说明香蕉叶经炭化活化后，吸附率大幅度提高。这是因为炭化活化大大增加了香蕉叶的比表面积，有利于吸附行为的进行。

图6 不同种类吸附剂的影响Fig.6 The effect of different adsorbent

3 结论

在亚甲基蓝溶液体积为100mL，亚甲基蓝的初始浓度为200mg·L-1，温度25℃，吸附时间为2h，香蕉叶活性炭的用量为0.05g，pH值为6.86的条件下，香蕉叶活性炭对亚甲基蓝的去除率可达99.22%。通过与未炭化活化的香蕉叶的比较可知，香蕉叶经炭化活化后，对亚甲基蓝的吸附率可提高40.72%。利用农林废弃物制备对亚甲基蓝有优良吸附性能的活性炭，为香蕉叶的资源化利用及研究提供了新的思路。