芝麻秸秆活性炭对亚甲基蓝染料的吸附性能研究

张 建，周威远，王娅娅

(伊犁师范大学 化学与环境科学学院，新疆 伊宁 835000)

0 前言

随着我国染料和印染工业的迅速发展，工业染料废水的危害日益凸显，其中亚甲基蓝常用于工业染料的加工，具有污染性强、对人体危害性大、成分复杂、有机物浓度和色度高、难生化降解等特点，如果将难以降解的亚甲基蓝有机物污染物排入水体，就会造成严重的水体污染，因此采取最有效、最合理的方法处理水污染问题成为首要的问题[1]。常见处理有机染料的方法有：吸附法、膜分离技术、磁分离法、萃取法、电化学法、高级氧化法等，当前工业上处理印染废水常用的方法是使用活性炭或多孔树脂来作为吸附剂[2-8]。

随着人们生态意识的提高和国家大力推广清洁能源，生物质秸秆这类清洁可再生能源的开发研究也随之成为热点研究话题。芝麻杆中含有丰富的植物纤维素，可以用制备作生物质碳的原料[9]。将芝麻秸秆经炭化和活化后制备成活性炭，不仅可以变废为宝，实现资源再利用，还能缓解目前活性炭在国内外供不应求的局面。

1 实验方法

1.1 原料、试剂和实验设备

将芝麻秸秆洗净、干燥(80 ℃烘干4 h)、粉碎，过150 μm筛后备用。

本实验中所使用的主要试剂有：无水乙醇、氢氧化钾、亚甲基蓝、盐酸等。本实验所使用试剂均为分析纯。本实验中采用到的实验仪器：粉碎机，250A；电热鼓风干燥箱，KQ-700DE；分析天平，FA2104N；紫外分光光度计，7230G；管式炉，KJ-T1200-S603LKD等。

1.2 芝麻秸秆基活性炭制备方法

称取筛好的芝麻秸秆20 g(精确至0.001 g)至刚玉磁舟中，放入管式炉并通入氮气作为保护气进行炭化，500 ℃保温1 h，控制升温速率为5 ℃/min。将炭化好的炭粉放入烧杯中，加入浓度1 mol/L的盐酸50 mL，超声酸浸0.5 h；用蒸馏水洗涤炭粉至中性。取洗涤好的炭粉2 g至4个烧杯中，分别加入0.5、1.0、1.5、2.0 g KOH固体，加入5 mL无水乙醇与一定量的水，没过样品，搅拌溶解后浸渍12 h；烘干后取出样品，氮气气氛高温700 ℃煅烧，保温1 h；加入一定量1 mol/L盐酸至没过炭粉，超声水洗0.5 h后用蒸馏水洗至中性；将洗涤好的样品放入烘箱中干燥(80 ℃烘干10 h)，取出冷却后即得不同碱炭比的芝麻秸秆活性炭，分别命名为AC0.5、AC1、AC2、AC4。

图1 活性炭制备流程图

1.3 吸附性能研究

1.3.1亚甲基蓝溶液标准曲线绘制

称取0.125 g亚甲基蓝粉末，在100 mL烧杯中加入少量去离子水，充分搅拌至烧杯中粉末完全溶解，以玻璃棒引流至125 mL容量瓶中，洗涤烧杯2～3次后用蒸馏水定容，得到浓度为1 g/L的亚甲基蓝溶液。使用上述配制的亚甲基蓝溶液稀释成1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 mg/L的稀溶液，利用紫外可见分光光度计在波长为665 nm处测定其吸光度，并绘制亚甲基蓝吸光度与浓度关系的标准曲线。结果如图2所示。

图2 亚甲基蓝标准曲线

1.3.2吸附动力学实验

在吸附实验研究中，准一级动力学模型方程(式 1)和准二级动力学模型方程(式2)线性表达式分别为：

ln(qe-qt)=lnqc-K1t

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(1)

(2)

其中：t，接触反应时间，min；K1，准一级吸附动力学吸附率常数，min-1；K2，准二级动力学吸附率常数，g/(mg·min)；qt，t时刻的吸附量，mg/g；qe，吸附平衡时的吸附量，mg/g[10]。

1.3.3吸附剂碱炭比对吸附性能的影响

活化温度700 ℃，时间为60 min的条件下，探究碱炭比为0.5∶1、1∶1、2∶1、4∶1制备活性炭对亚甲基蓝的吸附影响。在室温下，分别向装有50 mL浓度为20 mg/L亚甲基蓝溶液的锥形瓶中依次加入10 mg AC0.5、AC1、AC2、AC4活性炭。吸附剂碱炭比对吸附性能的影响，结果见图3。

图3 碱炭比对活性炭样品吸附的影响

由图3可知，随着碱炭比逐渐增加，活性炭对亚甲基蓝的吸附能力呈现先增大后减小的趋势，当碱炭比为2∶1时，去除率达到最大且吸附效率最高，吸附量也最大。这是由于当活化剂KOH用量增大时，其对炭粉的腐蚀会更加严重，使炭微晶暴露出来，有更多的钾离子与碳反应生成碳酸钾盐，增加孔洞数量[11]。当碱炭比达到4∶1时，吸附平衡时的去除率开始降低，推测此情况下KOH比例过大，破坏活性炭表面官能团，也可能为部分钾离子被碳还原成钾单质堵塞孔洞。

1.3.4亚甲基蓝溶液初始浓度对吸附性能的影响

取5个锥形瓶，分别倒入浓度为10、20、30、40、50 mg/L的亚甲基蓝溶液100 mL，向不同浓度的亚甲基蓝溶液中加入10 mg碱炭比为2∶1的芝麻秸秆活性炭AC2，再将溶液放入恒温摇床中震荡12 h。亚甲基蓝初始浓度对芝麻秸秆活性炭吸附性能影响如图4所示。

图4 初始浓度对甲基蓝吸附的影响

由图4可知，当亚甲基蓝初始浓度增大时，吸附平衡时的吸附量增大，去除率也随之增大，当亚甲基蓝初始浓度超过40 mg/L时去除率开始下降，吸附量也逐渐降低。这是由于活性炭吸附位点有限，当浓度增大时活性炭上的吸附位点逐渐被亚甲基蓝所占据，吸附速率开始减小[12]。

在室温下，配制40 mg/L的亚甲基蓝溶液，向其中加入10 mg碱炭比为2∶1的芝麻秸秆活性炭AC2，再将溶液放入恒温摇床中振荡。最短吸附时间为5 min，最长吸附时间为180 min。吸附时间对吸附效果的影响如图5所示。

由图5可知，在吸附达到平衡前，吸附速率急剧增加；当吸附时间为90 min时，吸附趋于平衡，此时吸附量为最大值并达到平衡，确定最佳吸附时间为90 min。

图5 吸附时间对亚基甲基蓝吸附的影响

1.3.6吸附剂投加量对吸附效果的影响

在室温下，准备5个盛有浓度为40 mg/L的亚甲基蓝溶液100 mL，向其中分别加入质量为10、20、30、40、50 mg碱炭比为2∶1的活性炭AC2，对应浓度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/L，吸附时间为90 min。芝麻秸秆活性炭投加量对亚甲基蓝的吸附影响如图6所示。

图6 活性炭投加量对去亚甲基蓝吸附的影响

由图6可知，随着投加量的增加，AC2对亚甲基蓝的去除率而增大，吸附量随之减小。这是由于投加量足够大时，溶液中的亚甲基蓝浓度相对非常低，大量的活性炭AC2与染料没有发生吸附作用，投加量己经超出最佳投加量。综合考虑，确定投加量为20 mg[13]。

1.3.7等温吸附方程的确定

对投加量为20 mg碱炭比为2∶1的芝麻秸秆活性炭AC2吸附初始浓度为40 mg/L亚甲基蓝的吸附速率曲线进行拟合，拟合后得到结果见图7和表1。对于芝麻秸秆吸附亚甲基蓝溶液的过程中，准二级动力学拟合结果为0.999 9。这表明该吸附过程更符合拟二级动力学方程，此过程以化学吸附为主[14]。

图7 活性炭吸附亚甲基蓝准一级动力学和准二级动力学模拟拟合曲线

表1 活性炭AC2对亚甲基蓝的准一级动力学和准二级动力学相关系数

2 结论

以芝麻秸秆为碳源，KOH做活化剂，在低碱碳比下，制备了性能优异的活性炭，在静态吸附实验中研究投初始浓度、吸附时间、投加量等因素对亚甲基蓝染料的吸附，得出芝麻秸秆活性炭的最佳吸附条件活性炭碱炭比为2∶1，初始浓度为40 mg/L，吸附时间为90 min，投加量在20 mg。在此过程中，其中吸附量最大为 268 mg/g，去除率达到最大值98.49%。通过对动力学研究，得出该吸附过程更符合拟二级吸附动力学方程。