稻壳吸附剂对亚甲基蓝的吸附性能研究

武 云，黄中梅

(武汉生物工程学院化学与环境工程学院，湖北 武汉 430415)

当前印染废水带来的环境污染问题十分严峻，常用的处理方法经济节能却带来二次污染。目前处理印染废水的方法有：吸附法[1]、膜分离法[2]、絮凝沉降法[3]、光催化法[3]、离子交换法[4]、微生物降解和电解法[5]等。由于吸附法在处理过程中不会引入新的污染，因而受到广泛关注。稻壳的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素和二氧化硅[6]，而且价格低廉，安全无毒，多孔性容量小，质地粗糙，其吸附率高可完全生物降解，对处理印染废水有很大的优势。

本文探究经过5%的H2SO4处理的稻壳对亚甲基蓝的吸附性能，从而得出处理印染废水的最佳条件。

1 实 验

1.1 实验仪器及试剂

仪器：DHG-9053A型电热恒温空气干燥炉，上海恒科技有限公司；予华牌SHZ-DⅢ型循环水真空泵，巩义予华仪器有限公司；电子恒温不锈钢水浴锅炉，上海仪器设备有限公司；AUY120分析天平，上海双旭电子有限公司；722E可见分光光度计，上海光谱仪器有限公司制造；PHS-25 pH计，上海雷磁仪器生产厂。

试剂：双氧水，天津市新中化工厂；盐酸，武汉市华粉化工有限公司；氢氧化钠，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；亚甲基蓝，湖南湘中地质实验研究所；硫酸，济南砷丰化工有限公司；以上均为分析纯。天然稻壳，军艳十八亩五谷廊坊生产。实验用水为蒸馏水。

1.2 制备稻壳吸附剂

1.2.1 稻壳吸附剂的制备

将稻壳粉碎成粉末状，用蒸馏水洗涤3次，去除悬浮物和可溶性物质，置于烘箱中60 ℃烘干至恒重。用1.5 mL 5% H2SO4处理5 g稻壳粉末，搅拌均匀，在120 ℃中干燥1 h。冷却至室温，得稻壳吸附剂。

1.2.2 5%H2SO4对亚甲基蓝吸附实验的影响

由于亚甲基蓝遇稀硫酸会褪色，会影响试验所测吸光度。为排除影响，用处理后的含有5%H2SO4稻壳粉末分别与10 mg/L，15 mg/L，20 mg/L，25 mg/L的亚甲基蓝溶液反应。实验证明反应前后的吸光度差别均为0.50%以下，证明5%的稀硫酸不足以对所测吸光度造成影响。

1.3 实验方法

1.3.1 吸附实验

取一定量的稻壳吸附剂，加入到20 mL不同浓度的亚甲基蓝溶液中，在室温下搅拌反应一段时间，抽滤，用分光光度计在最大吸收波长662 nm下测其吸光度。根据标准曲线计算出浓度。

亚甲基蓝的去除率计算公式[1]：

(1)

式中：E——去除率，%

C0——亚甲基蓝的初始浓度，mg/L

Ce——吸附后亚甲基蓝的浓度，mg/L

1.3.2 时间对去除率的影响

准确移取20 mL浓度为25 mg/L的亚甲基蓝溶液于5个烧杯中，分别加入0.3 g的稻壳吸附剂，吸附时间分别为30 min，60 min，90 min，120 min，150 min。在pH值为6.5，室温下搅拌反应。经过抽滤，测量吸光度，通过标准曲线得到浓度，计算去除率。则去除率与时间的关系曲线如图1所示。

图1 吸附时间对去除率的影响Fig.1 Effect of adsorption time on removal efficiency

通过图1可以看出，随着吸附时间的上升，去除率也逐渐上升，去除率随吸附时间的波动可能与稻壳的吸附活性点及表面结构有关。在吸附时间为30，60 min时，去除率趋于平缓，90 min时略有下降。90 min后曲线较陡峭，去除率上升较明显。说明90 min后吸附性能更好。在150 min时去除率达到最大，为97.95%。故选取90 min，120 min，150 min作为正交实验中时间因素的三个水平。

1.3.3 初始浓度对去除率的影响

取20 mL溶液pH为6.5浓度分别为25 mg/L，50 mg/L，75 mg/L，100 mg/L，125 mg/L的亚甲基蓝溶液于5个烧杯中，均加入0.3 g的稻壳吸附剂吸附150 min，实验结束后，进行抽滤，分别测其吸光度，计算浓度，得其去除率。则去除率与初始浓度的关系曲线如图2所示。

图2 初始浓度对去除率的影响Fig.2 Effect of initial concentration on removal efficiency

从图2可以看出，随着浓度的升高，去除率呈下降趋势。按趋势来分析75 mg/L时去除率为95.73%，说明当浓度继续增大时，去除率基本不再增加。这是由于浓度梯度较大，吸附驱动力大，去除率增加，当浓度达到一定值后，吸附剂活性位点被亚甲基蓝分子全部占据，去除率基本不变[7]。所以选取50 mg/L，75 mg/L，100 mg/L作为探究最佳吸附条件的三个水平。

1.3.4 pH对去除率的影响

分别取20 mL浓度为10 mg/L的亚甲基蓝溶液于5个烧杯中，溶液的pH用0.01 mol/L的盐酸和0.01 mol/L的氢氧化钠来调节为5.5，6.5，7.5，8.5，9.5，各加入0.3 g稻壳吸附剂吸附5 min。待吸附反应完成后，抽滤，测出吸光度。代入标准曲线得到其浓度，算出去除率。其变化趋势如图3所示。

图3 pH对去除率的影响Fig.3 Effect of pH on removal efficiency

由图3可知，在pH值=7.5之前时，随着pH的升高，去除率逐渐增加。当pH=7.5的时候，其去除率达到最大，此时去除率为94.50%。当pH值大于7.5时，随着pH值的升高，去除率反而下降。而且在pH值7.5之后，所得到的去除率比在7.5以前的要高，进一步证明H+浓度过高不利于吸附。但碱性废水排放污染土壤较为严重，所以选取pH值分别为5.5，6.5，7.5作为正交试验的三个水平来探究其吸附性能。

1.3.5温度对去除率的影响

准确移取20 mL浓度为25 mg/L的亚甲基蓝溶液于5个烧杯中，各加入0.3 g的稻壳吸附剂分别在温度为45 ℃，55 ℃，65 ℃，75 ℃，85 ℃吸附10 min。待吸附完成后抽滤，待冷却后，测其吸光度，得浓度，计算去除率。温度与去除率的曲线关系如图4所示。

图4 温度对去除率的影响Fig.4 Effect of temperature on removal efficiency

从图4可以看出，60 ℃以前去除率变化不明显，75 ℃与65 ℃时去除率接近，而随着温度的上升，去除率依然比60 ℃以前要略高。但当温度持续升高至85 ℃时，去除率逐渐下降。所以选取65 ℃，75 ℃，85 ℃作为温度的三个水平来探究其吸附性能。

1.3.6 根据各因素绘制正交表得出最佳吸附条件

通过单因素试验的探究，选取吸附时间，初始浓度，pH，吸附温度这四个因素中的三个水平即L9(34)正交表探究其最佳吸附条件，其结果如表1所示。

表1 正交实验结果Table 1 Results of orthogonal test

根据表1的结果，稻壳吸附剂对亚甲基蓝的吸附影响因素：初始浓度>吸附时间>pH>吸附温度。最佳吸附条件是A3B1C2D1，即初始浓度为50 mg/L，吸附时间为150 min，pH为6.5，吸附温度为65 ℃，此时去除率为97.01%。

2 结果与讨论

2.1 制备改性稻壳吸附剂

取上述5%的H2SO4处理的稻壳吸附剂5 g于烧杯中，加入1.5 mL的14% H2O2，搅拌均匀，放入烘箱中，200 ℃下烘干65 min至恒重。冷却至室温，得改性的稻壳吸附剂。

2.2 14%H2O2对亚甲基蓝吸附实验的影响

由于亚甲基蓝有氧化性，所以双氧水改性后的稻壳吸附剂使得去除率增高，是否是其中14%双氧水与亚甲基蓝进行氧化还原反应造成的不可得知。所以在室温下，设计处理稻壳吸附剂相同体积的14%的双氧水分别与10 mg/L，15 mg/L，20 mg/L，25 mg/L的亚甲基蓝溶液反应。实验证明反应前后的吸光度均在0.80%以下，证明14%的双氧水对所测吸光度造成的影响微小。所以14%的双氧水对亚甲基蓝吸附实验的影响大小忽略不计。

2.3 改性稻壳吸附剂对亚甲基蓝的吸附实验

取20 mL浓度为50 mg/L的亚甲基蓝溶液于烧杯中，调节pH为6.5，加入0.3 g改性稻壳吸附剂，在温度为65 ℃下，吸附反应150 min。待反应完成，抽滤，冷却以后，测其吸光度，计算得去除率。

2.4 改性前后吸附性能比较

最佳吸附条件下，改性后去除率为98.99%，与未改性前最佳吸附条件下相比，去除率提高2%，表明对亚甲基蓝的吸附性能更加明显。因改性处理并不复杂，改性是有必要可行的。

3 结 论

稻壳吸附剂对亚甲基蓝去除率的影响因素：初始浓度>吸附时间>pH>吸附温度。

稻壳吸附剂吸附亚甲基蓝的最佳条件：初始浓度为50 mg/L，吸附时间为150 min，pH 为6.5，吸附温度为65 ℃。稻壳吸附剂对亚甲基蓝有很好的吸附效果。在最佳吸附条件下，所得的去除率为97.01%。

利用14%双氧水对稻壳吸附剂进行改性后，最佳吸附条件下，其去除率为98.99%，比为改性之前上升了2%。H2O2改性稻壳吸附剂对亚甲基蓝的吸附性能更好。在允许条件下，改性稻壳吸附剂更利于吸收。