玉米芯基多孔炭对罗丹明B的吸附性能研究

徐莹文,万玲俐,高 烨

(长春师范大学化学学院,吉林 长春 130032)

有机染料在印染工业和造纸工业中有着广泛应用[1-2]。有机染料废水的大量排放带来了一定的环境问题,同时会对人类健康产生一定的危害[3-6]。罗丹明B是一种高色度、低成本的有机染料,广泛应用于纺织工业。罗丹明B具有潜在的基因毒性和致癌活性,废水中罗丹明B染料的去除势在必行。吸附技术成本低、去除效率高,是目前染料废水处理工艺中较为经济有效的方法[7-8]。生物质基多孔炭是一种具有比表面积大、孔道结构发达等多种优点的多孔物质[9],可应用于吸附分离、多相催化、传感器、储能等领域[10-13]。

本研究选用玉米芯基多孔炭为吸附剂,探究各吸附条件对罗丹明B染料吸附性能的影响。本研究为生物质基多孔炭的吸附应用提供了一定理论基础,为高效、深度去除废水中的罗丹明B染料提供了可行性借鉴。

1 实验部分

1.1 材料、试剂与仪器

玉米芯基多孔炭为实验室自制(碳酸钾活化法[14]);罗丹明B购于成都艾科达化学试剂有限公司;混合磷酸盐、硼砂购于杭州繁沃科技有限公司;无水乙醇、氢氧化钠和盐酸均购于北京化工厂。以上所用化学试剂均为分析纯。

SHZ-85S型气浴恒温振荡器(江苏金坛大地自动化仪器厂);SHY-2A型恒温振荡器(江苏金坛大地自动化仪器厂);FA1204N电子天平(上海菁海仪器有限公司);G9823A型紫外可见分光光度计(安捷伦科技有限公司);pH-3S型精密酸度计(南京桑力电子设备厂)。

1.2 实验方法

将一定质量的玉米芯基多孔炭加入到10 mL一定质量浓度的罗丹明B染料溶液中,改变吸附温度和pH,在恒温振荡器中进行震荡,吸附一定时间后对吸附溶液进行过滤,测得滤液吸光度,并求得吸附量qt。计算公式如下:

(1)

其中,c0是初始质量浓度,ct是多孔炭对其吸附t时间后的质量浓度,单位均为mg·L-1;m为玉米芯基多孔炭的质量,单位为 g;V为罗丹明B染料的体积,单位为L。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线的确定

用紫外可见分光光度计测得罗丹明B染料的λmax=553 nm,在此波长下测其吸光度,得到相应的标准工作曲线,如图1所示,罗丹明B的质量浓度与吸光度在一定范围内具有良好的线性关系。

图1 罗丹明B的标准工作曲线

2.2 罗丹明B的初始质量浓度对吸附性能的影响

在温度298.15 K、pH=7时,0.02 g玉米芯基多孔炭吸附罗丹明B染料时间为60 min,罗丹明B染料的初始质量浓度与吸附量之间的关系如图2所示。由图2可知,在一定质量浓度范围内吸附量随质量浓度的增加而增大,增加到540 mg·L-1以后,吸附量不再增大。随着罗丹明B初始质量浓度的增加,罗丹明 B分子增多,与吸附剂间的传质阻力变小,从而使吸附量快速上升;质量浓度继续增加使得罗丹明B分子之间的竞争力加大,罗丹明B分子很难进入多孔炭内部,从而吸附达到饱和状态,吸附量趋于平缓[15]。540 mg·L-1是最佳吸附初始质量浓度。

图2 罗丹明B的质量浓度与吸附量的关系曲线

2.3 吸附时间对吸附性能的影响

在温度298.15 K、pH=7时,0.02 g玉米芯基多孔炭对初始质量浓度为540 mg·L-1的罗丹明B染料进行吸附,吸附量随时间的变化曲线如图3所示。由图3可知,吸附时间在0～18 min时,吸附量迅速增大;吸附时间在18～30 min时,吸附量变化平缓;吸附时间为30 min时,吸附量达到最大。吸附时间较短时,罗丹明B分子迅速占据玉米芯基多孔炭表面的大量活性位点,吸附量迅速增加;随着吸附时间的增大,多孔炭表面基本达到饱和,罗丹明B分子需要克服更大阻力到达多孔炭内部,因此吸附量变化较小趋于平衡。吸附时间30 min为最佳吸附时间。

图3 吸附时间与吸附量的关系曲线

2.4 玉米芯基多孔炭质量对吸附性能的影响

在温度298.15 K、pH=7、吸附时间30 min和初始质量浓度540 mg·L-1时,吸附量随玉米芯基多孔炭质量的变化曲线如图4所示。由图4可知,随着多孔炭质量的增加,吸附量呈明显下降趋势。玉米芯基多孔炭质量为0.02 g时,吸附量达到最大。因此,最佳吸附玉米芯基多孔炭质量为0.02 g。

图4 多孔炭质量与吸附量的关系曲线

2.5 温度对吸附性能的影响

在pH=7时,0.02 g玉米芯基多孔炭吸附初始质量浓度为540 mg·L-1的罗丹明B染料时间为30 min,吸附量与温度的关系曲线如图5所示。由图5可知,吸附量随着温度的升高先上升后平缓,达到吸附平衡时的温度为338.15 K。升高温度使得罗丹明B分子移动速度加快,使罗丹明B分子具有流动性,吸附量增加;但温度升高同时会加快多孔炭的解吸速率,达到一定温度时,多孔炭的解析与吸附过程两者达到平衡,以至吸附量趋于平缓。因此,最佳吸附温度为338.15 K。

2.6 pH对吸附性能的影响

在温度338.15 K、0.02 g玉米芯基多孔炭、吸附时间30 min和初始质量浓度540 mg·L-1条件下,吸附量与pH的关系曲线如图6所示,随着pH的增加,吸附量变化较小。多孔炭表面可能同时存在酸性、碱性两种官能团,pH对吸附性能影响不大,因此,吸附量保持相对稳定。

图6 pH与吸附量的关系曲线

3 机理分析

3.1 吸附动力学机理分析

利用动力学模型[16]对吸附机理进行初步探讨,探究其吸附过程。

准一级吸附动力学方程为:

(2)

其中,qt为吸附时间t时的吸附量,qe为达到平衡时的吸附量,单位均为 mg·g-1;k1为准一级速率常数,单位为min-1;t为吸附时间,单位为 min。

准二级吸附动力学方程为:

(3)

其中,k2为准二级速率常数,单位为 g·mg-1·min-1。

表1 玉米芯基多孔炭对罗丹明B的吸附动力学拟合参数

图7 准一级动力学拟合曲线

图8 准二级动力学拟合曲线

3.2 吸附热力学分析

吸附机理可根据自由能、自由熵、自由焓的改变值来推测。以下公式可确定热力学函数值[17]:

ΔG=-RTlnKC,

(4)

其中,KC是平衡常数;R是气体常数;T是温度,单位为K。

使用Van’t Hoff方程计算吸附热力学参数:

(5)

lnKC对1/T的拟合结果如图9所示,吸附热力学拟合参数如表2所示。由图9可知,不同温度下吉布斯自由能的变化值均小于零,说明玉米芯基多孔炭对罗丹明B吸附过程具有可行性和自发性。随着温度的增加,ΔG的数值越小,该结果表明高温有利于玉米芯基多孔炭对废水中罗丹明B的吸附。通过计算可知,ΔH=16.91 KJ·mol-1,ΔS=76.41 J·mol-1·K-1,ΔH与ΔS均大于零。玉米芯基多孔炭对罗丹明B的吸附是一个自发的吸热过程。

表2 不同温度对罗丹明B的吸附热力学参数

图9 热力学拟合曲线

4 结论