活性炭-高岭土混合吸附剂对亚甲基蓝吸附性能研究

李维鑫，曹向禹，田俊阳

（齐齐哈尔大学轻工与纺织学院，黑龙江齐齐哈尔161006）

近年来，皮革废水的年产量高达8000万吨左右，约占我国工业废水排放量的1.6%，已成为环境的主要污染源之一。皮革废水具有COD高、有机含量高、色度高、成分复杂等特点，对人和其他生物具有致畸、致癌、致突变的三致作用。目前，皮革废水处理的方法主要有氧化法、降解法、混凝法、吸附法等，其中吸附法具有成本低、操作简便以及吸附效果显著等优点，对皮革废水的处理越来越受到重视[1]。活性炭与高岭土有很大的比表面积，作为水体悬浮物、油类有机物和重金属离子等的吸附骨架，对污染物的吸附起着重要作用。亚甲基蓝作为一种广泛应用的阳离子大分子染料，是染料废水中常见的污染物之一，通过对亚甲基蓝的吸附研究可作为判定吸附剂吸附性能的重要指标。

本文以亚甲基蓝为模拟污染物，采用活性炭与高岭土混合吸附的方式处理废液，研究其对亚甲基蓝的吸附性能，着重探讨吸附过程的等温线吸附与吸附动力学，进一步研究其吸附行为。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

活性炭、高岭土、亚甲基蓝（均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）；SJ-3F型pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司）；723型分光光度计（上海菁华科技仪器有限公司）；SHA-2型冷冻水浴恒温震荡器（金坛市瑞华仪器有限公司）；LD5-2A型台式低速离心机（北京众益中和生物技术有限公司）；DF-Ⅱ型集热式磁力加热搅拌器（金坛市荣华仪器制造有限公司）。

1.2 研究方法

取一定量配比的活性炭与高岭土，经过粉碎、洗涤、烘干等预处理，加入到一定初始浓度的亚甲基蓝废液中，在一定温度条件下进行振荡反应，吸附一定时间后取出离心，测上层清液的吸光度，计算亚甲基蓝的去除率与平衡吸附量。

2 结果与讨论

2.1 吸附过程影响因素的研究

2.1.1 混合吸附剂配比影响

取初始浓度10mg/L的亚甲基蓝溶液150mL，混合吸附剂投加量为0.2g，在20℃，pH值为6的条件下吸附60min，考察活性炭与高岭土在不同质量配比条件下的吸附性能，结果见图1。

由图1可以看出，高岭土与活性炭混合吸附剂吸附亚甲基蓝过程中，当活性炭质量比例较高时体现出良好的吸附性能，当活性炭与高岭土质量比为2∶1时，去除率最高为92%；但高岭土成分比例较高时却不利于对亚甲基蓝的吸附，分析可能是高岭土会占据活性炭的空隙，阻碍亚甲基蓝分子进入活性炭的轨道，使其吸附性能降低[2]。

2.1.2 吸附剂投加量的影响

取初始浓度10mg/L的亚甲基蓝溶液150mL，活性炭与高岭土质量比为2∶1，在20℃，pH值为6的条件下吸附60min，考察混合吸附剂在不同投加量条件下的吸附性能，结果见图2。

由图2可以看出，当混合吸附剂的投加量为0.1 g时去除率为92%，投加量为0.2g时去除率达94%，随后变化不大；混合吸附剂的吸附量由13mg/g减小到2.7 mg/g。分析可能是当亚甲基蓝溶液浓度一定时，增加吸附剂用量可以提供更多的吸附位点，可以有更多的亚甲基蓝吸附到吸附剂上，而亚甲基蓝的浓度是一定的，虽然活性位点的数量变多了，但单位质量的混合吸附剂利用率却降低[3]，所以混合吸附剂的最佳投放量为0.2g。

2.1.3 溶液p H值的影响

取初始浓度10mg/L的亚甲基蓝溶液150mL，混合吸附剂投加量为0.2g且质量比为2∶1，在20℃条件下吸附60min，考察在不同pH值条件下混合吸附剂的吸附性能，结果见图3。

图1 混合吸附剂配比与去除率计算

图2 吸附剂用量对其吸附亚甲基蓝的影响

由图3可以看出，随着溶液pH值的增加，混合吸附剂的吸附量在12.5 mg/g～13.0mg/g之间变化不明显，说明溶液pH值对混合吸附剂吸附亚甲基蓝的影响不大。pH值对吸附的影响主要是通过改变吸附剂的表面电荷以及吸附质的带电状态来实现的。在中性条件下，亚甲基蓝染料上的氮原子与活性炭和高岭土的表面官能团，如—OH、—COOH等形成氢键产生吸附作用[4]；当改变溶液的pH值时，吸附剂表面官能团的综合影响使其对带正电荷的亚甲基蓝阳离子的吸附效果影响不大，最终随pH变化吸附效果无明显差异[5]。

2.1.4 吸附时间的影响

取初始浓度10mg/L的亚甲基蓝溶液150mL，混合吸附剂投加量为0.2g且质量比为2∶1，在20℃，pH为6的条件下，考察吸附时间对混合吸附剂吸附性能的影响，结果见图4。

由图4可以看出，随着吸附时间的进行，混合吸附剂的吸附量先经过快速增长，随后缓慢增长，最终达到吸附平衡状态，当吸附60min时去除率达94%左右。分析可能是在吸附初期，亚甲基蓝的浓度很大，吸附剂表面的吸附位点很多，浓度梯度大，所以前期的吸附速度很快；随着吸附的进行，吸附位点逐渐被占据，亚甲基蓝的浓度逐渐降低，浓度梯度变小，直到最后吸附接近饱和，整个吸附体系达到平衡状态[6]。所以综合吸附效率与吸附量因素，最佳吸附时间为60min。

2.2 吸附动力学研究

为研究吸附剂对亚甲基蓝的吸附动力学，采用准一级动力学模型和准二级动力学模型对实验数据进行线性拟合。将计算得到的相关动力学参数汇总于表1。

由表1可以看出，此吸附过程更符合准二级动力学模型[7]，升高温度使吸附速率常数由0.02升高到0.05，最大吸附量由9.27 mg/g升高到9.36mg/g，亚甲基蓝的去除率由20℃的92%提升至35℃的95%，因此说，升高温度吸附速率以及吸附量均增大，具有重要的应用意义。

2.3 吸附等温线研究

采用Freundlich等温线模型和Langmuir等温线模型在20℃和35℃条件下获得的吸附平衡数据进行拟合，将计算得到的相关平衡参数汇总于表2。

由表2可以看出，在混合吸附剂吸附亚甲基蓝过程中，吸附过程更符合Freundlich模型。说明在吸附亚甲基蓝的过程中既有单层吸附，又有表面不均匀吸附，存在着氢键、共价键结合等化学吸附过程[8]；从20℃和35℃的1/n值可以看出，该混合吸附剂对亚甲基蓝阳离子结合染料具有很好的吸附性能[9]。

图3 pH值对吸附剂吸附亚甲基蓝的影响

图4 吸附时间对吸附剂吸附亚甲基蓝的影响

表1 混合吸附剂吸附亚甲基蓝的动力学参数

表2 混合吸附剂吸附亚甲基蓝等温线模型参数

3 结论

（1）混合吸附剂吸附亚甲基蓝染液实验的最佳吸附条件：活性炭与高岭土的复配比为2∶1，吸附剂投加量为0.2g/150mL，吸附时间为60min，温度为35℃，此时亚甲基蓝染液的去除率可达95%。pH值对此吸附过程的影响不大。

（2）在混合吸附剂吸附亚甲基蓝吸附动力学实验中，吸附动力学更符合准二级动力学模型，温度升高有利于混合吸附剂吸附亚甲基蓝。

（3）在混合吸附剂吸附亚甲基蓝吸附等温线实验中，吸附更符合Freundlich等温线模型，说明此吸附既有单层吸附也有多层吸附，此吸附为化学吸附。