硫酸铁改性氧化铝对甲基橙的吸附性能研究

于汉迪，吴红梅， 孙乐乐，李晴，张嘉敏，于金秀，张琳

（辽宁工业大学化学与环境工程学院，辽宁 锦州121001）

随着我国印染行业的大力发展，常常伴随产生大量的含染料废水，如果染料废水达不到排放标准就直接排放到水中，会在环境中大量积累而造成严重的生态污染，从而进一步影响人类的身体健康[1～3]。甲基橙作为偶氮染料中的一种，较难降解，在生产和使用的过程中都会产生大量的染料废水[4～6]，因此，研究偶氮染料甲基橙废水处理方法具有重要意义。

对偶氮染料废水的处理方法有很多，但传统方法都存在着一定的局限性。而吸附法不仅费用少、操作过程简单，而且效率高、耗能低，对于处理这种难降解的偶氮染料具有很大的优势。因此，本文首先利用硫酸铁对活性氧化铝进行改性获得高效吸附剂，并对改性后的活性氧化铝吸附废水中的偶氮染料甲基橙进行研究。

1 实验

1.1 原料和仪器

硫酸铁（分析纯，天津市瑞金特化学品有限公司）；氢氧化钠（分析纯，天津市光复科技发展有限公司）；盐酸（分析纯，天津市光复科技发展有限公司）；甲基橙（分析纯，天津市分船化学试剂科技有限公司）；氧化铝（廊坊纳科有限公司）；蒸馏水（自制）。

水浴振荡器（HZS-HA，哈尔滨东联电子技术开发有限公司）；超声波振荡仪（KH7000，昆山禾创超声仪器有限公司）；电热恒温干燥箱（101-2ES，北京市永光明医疗仪器有限公司）；电子天平（JEB303，上海浦春计量仪器有限公司）；数显pH 计（PHS-25，上海仪电科学仪器股份有限公司）；可见分光光度计（721G，上海仪电分析仪器制造有限公司）。

1.2 活性氧化铝的改性

1）用蒸馏水清洗活性氧化铝小球，再用超声仪器超声10 min，去除活性氧化铝的表面杂质。

2）将超声后的活性氧化铝放入恒温干燥箱中，在120 ℃下烘4 h。

3）称取20 g 硫酸铁粉末，配置成0.5 mol/L 的硫酸铁溶液；再称取25 g 活性氧化铝，浸渍3 h。然后用蒸馏水进行清洗，抽滤，直至滤液的pH 值接近中性，再将洗净后改性活性氧化铝放入恒温干燥箱中烘干，备用。

1.3 吸附实验

称取0.02 g 甲基橙，配制成200 mg/L 的甲基橙溶液。再称取2.0 g 改性后的活性氧化铝放入锥形瓶中，加入50 mL 的甲基橙溶液（200 mg/L），将锥形瓶放在水浴振荡器震荡一定时间，用可见分光光度计测量经吸附后甲基橙的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线的绘制

以甲基橙的浓度为横坐标，吸光度A 为纵坐标，测定波长为465 nm，得到甲基橙的标准曲线如图1 所示。回归方程为y=0.12299x-0.00543，相关系数R2=0.99933。由回归方程和相关系数可以看出，甲基橙在浓度为0～10 mg/L 的范围内，线性关系良好，符合朗伯-比尔定律。

图1 甲基橙的标准曲线图

2.2 吸附温度对改性活性氧化铝吸附甲基橙性能的影响

取2.0 g 硫酸铁改性后的活性氧化铝，吸附初始浓度为200 mg/L 的甲基橙，在转速为200 r/min、吸附时间为100 min，测定不同吸附温度对甲基橙吸附率，结果如图2 所示。从图2 中可以看出，甲基橙的吸附率随着吸附温度的增加先上升后下降，40 ℃时甲基橙的吸附率最高。这是因为吸附刚开始时，改性活性氧化铝的所有活性位点都处于空着的状态，而甲基橙分子之间的竞争又很弱，所以随着吸附温度的升高甲基橙吸附率上升得很快，但随着吸附温度升得越高，活性氧化铝上越来越多的活性位点被占据，甲基橙分子之间的竞争也越来越激烈，因此温度太高不利于甲基橙分子在活性氧化铝表面的吸附，最佳吸附温度为40 ℃。

图2 吸附温度对甲基橙吸附率的影响

2.3 转速对改性活性氧化铝吸附甲基橙性能的影响

取2.0 g 硫酸铁改性后的活性氧化铝，吸附初始浓度为200 mg/L 甲基橙，吸附温度为40 ℃，吸附时间为100 min，每间隔20 min 测定不同转速下甲基橙的吸附率，如图3 所示。从图3 中可知：随着转速的增加，甲基橙的吸附率也随之上升，说明提高转速有利于甲基橙的吸附。这是因为转速越大，改性活性氧化铝与甲基橙的混合越充分，吸附进行得更充分。但当转速从240 r/min 上升到280 r/min 时，甲基橙的吸附率几乎没有明显变化，说明当转速为240 r/min 时改性活性氧化铝吸附甲基橙已经达到饱和，因此最佳转速为240 r/min

图3 转速对甲基橙吸附率的影响

2.4 改性活性氧化铝的用量对吸附甲基橙性能的影响

吸附温度为40 ℃，转速为240 r/min，甲基橙初始浓度200 mg/L，考察改性活性氧化铝的用量对甲基橙吸附性能的影响，结果如图4 所示。甲基橙的吸附率随着改性活性氧化铝用量的增加而增加，当改性活性氧化铝用量＞3.0 g 时，甲基橙的吸附率为75.8%，此时吸附达到饱和。这是由于随着活性氧化铝用量的增多，吸附体系中可交换的活性位点就越多，对底物分子的吸附量也就越大，所以甲基橙的吸附率就先增加。当改性活性氧化铝的用量＞3.0 g 之后，随着吸附剂用量的继续增加，甲基橙的吸附率达到饱和，不再变化，但此时1mg活性氧化铝的吸附量在下降，即活性氧化铝的利用率随着活性氧化铝用量的增加而降低。因此，改性活性氧化铝的最佳用量为3.0 g。

图4 吸附剂用量对甲基橙吸附率的影响

2.5 甲基橙的初始浓度对改性活性氧化铝吸附甲基橙性能的影响

吸附温度为40 ℃，转速为240 r/min，吸附剂用量为3.0 g 时，考察不同的甲基橙初始浓度对改性活性氧化铝吸附甲基橙性能的影响，结果如图5 所示。甲基橙的初始浓度为200 mg/L 时吸附率最高，可达到79.8%。随着甲基橙初始浓度增大，甲基橙的吸附率也随之增加，然而当继续增加甲基橙的初始浓度时吸附率反而下降了，这主要是因为活性氧化铝经硫酸铁改性后，增加了活性氧化铝的表面吸附位点，因此甲基橙吸附率先随甲基橙初始浓度的增加而增加；但是过高浓度的甲基橙将改性活性氧化铝的孔道堵塞，比表面积减小，反而不利于甲基橙在孔道内吸附，从而使得吸附率降低。因此，本实验选用甲基橙的初始浓度为200 mg/L。

图5 甲基橙的初始浓度对甲基橙吸附率的影响

2.6 pH 值对改性活性氧化铝吸附甲基橙性能的影响

吸附温度为40 ℃，转速为240 r/min，吸附剂用量为3.0 g，甲基橙初始浓度为200 mg/L，考察不同pH 值时改性活性氧化铝对甲基橙吸附性能的影响，结果如图6 所示。甲基橙的pH 值直接影响着改性活性氧化铝吸附甲基橙的性能。当pH值=7 时，吸附率为84.3%，此时达到最大值。随着甲基橙废水pH 值的不断增加，甲基橙的吸附率先逐渐增加而后下降，这是由于pH 值起着调节吸附离子化程度的作用，溶液中的H+可以增加改性活性氧化铝的比表面积及其表面的电荷分布，所以刚开始随着pH 值的增加有利于改性活性氧化铝对甲基橙的吸附，但当pH 值>7 时，溶液中含有的OH-会和甲基橙发生竞争吸附，从而导致甲基橙的吸附率下降，吸附容量降低。因此最佳pH值为7 左右。

图6 甲基橙的pH 对甲基橙吸附率的影响

3 结论

本文采用硫酸铁对活性氧化铝进行改性，研究了改性后活性氧化铝对甲基橙的吸附性能。考察了吸附温度、转速、改性活性氧化铝用量、甲基橙的初始浓度和pH 值等因素对改性后活性氧化铝吸附甲基橙性能的影响，获得硫酸铁改性活性氧化铝吸附甲基橙的最佳工艺条件：吸附温度40℃、转速240 r/min、活性氧化铝的用量3.0 g、甲基橙的初始浓度200 mg/L、甲基橙废水的pH 值为7，此时甲基橙的吸附率可达到84.3%。