磁性花生壳的制备及其对亚甲基蓝吸附的研究

侯栋梁，赵业军

（武汉东湖学院 生命科学与化学学院，湖北 武汉 430212）

随着我国纺织工业的日益发展，印染废水的处理也成为备受关注的问题。目前主要的吸附方法有化学降解法、生物法以及吸附法，其中吸附法价格低廉且处理效果显著，对印染废水的处理有着巨大的潜力[1-3]。本文以Fe3O4负载花生壳为对象[4-6]，研究其在模拟废水亚甲基蓝中的性能，为寻找最佳去除效率，优化了添加量、吸附时间及pH 值3 个吸附条件，同时通过采用Lagergern 准二级动力学模型和Language 吸附等温线模型来研究其吸附特性、平衡吸附容量以及理论最大吸附容量，根据线性拟合得出理论平衡吸附容量。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

花生壳来自河南商丘；FeSO4·7H2O（天津化学试剂三厂）、FeCl3·6H2O（天津双船化学）、25%NH3·H2O（天津北联精细化学）、无水乙醇（国药集团）、亚甲基蓝（温州东升化工），以上均为分析纯。

HY-4 型调速多用振荡器（国华电器）；WFJ 7200 型可见分光光度计（上海尤尼柯）；TDL-80-2B型低速离心机（上海安亭）。

1.2 花生壳的预处理

取花生壳400g，用水反复洗涤4～5 次，洗去花生壳表面的杂质及灰尘，随后放置烘箱中110℃烘干，烘干后粉碎，过80 目筛，保存，备用。

1.3 Fe3O4 负载花生壳的制备

称取一定量花生壳粉末，加入适量FeSO4·7H2O、FeCl3·6H2O 及去离子水，剧烈搅拌，加热至80℃，加入过量的25% NH3·H2O，80℃搅拌30min，冷却抽滤，用无水乙醇和去离子水反复清洗3 次。80℃烘干，得到Fe3O4负载花生壳（PS-Fe3O4），备用。

1.4 吸附条件优化

1.4.1 添加量 在50mL 的50mg·L-1亚甲基蓝溶液中加入适量PS-Fe3O4，室温震荡1h，离心，0.22μm滤膜过滤，在665nm 处测滤液吸光度值。计算去除率（式1）和吸附容量（式2）。

式中 Q：去除率,%；qe：吸附量，mg·g-1；C0：溶液初始浓度，mg·L-1；Ce：溶液平衡浓度,mg·L-1；V：亚甲基蓝溶液的体积，mL；m: PS-Fe3O4的质量，g。

1.4.2 吸附时间 在50mL 的50mg·L-1亚甲基蓝溶液中加入定量PS-Fe3O4，室温震荡，离心，0.22μm 滤膜过滤，在665nm 处测滤液吸光度值。

1.4.3 pH 值 在50mL 的50mg·L-1亚甲基蓝溶液中加入定量PS-Fe3O4，调节溶液pH 值，室温震荡一定时间，离心，0.22μm 滤膜过滤，在665nm 处测滤液吸光度值。

1.5 吸附机理研究

采用lagergern 准二级动力学模型和Language等温吸附线模型对Fe3O4负载花生壳吸附亚甲基蓝的机理进行研究。Lagergern 准二级动力学方程和Language 等温吸附线方程分别为公式（3）和公式（4）：

式中 qt：t 时PS-Fe3O4的吸附量，mg·g-1；qe：PSFe3O4达到吸附平衡时的吸附量，mg·g-1；k2：准二级动力学常数，g·（mg·min）-1；ce：吸附平衡后亚甲基蓝溶液剩余浓度，mg·L-1；qe：平衡吸附容量，mg·g-1；KL：Langmuir 方程吸附平衡常数，L·mg-1；qmax: 理论最大吸附容量, mg·g-1。

2 结果与讨论

2.1 Fe3O4 的制备

在一定量花生壳粉末负载Fe2+和Fe3+，Fe2+∶Fe3+摩尔比分别为1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3，按1.3 的实验方法制备PS-Fe3O4。在50mL 的50mg·L-1亚甲基蓝溶液中加入适量PS-Fe3O4，室温震荡1h，离心，0.22μm 滤膜过滤，在665nm 处测滤液吸光度值，计算亚甲基蓝去除率，结果见图1。

图1 不同摩尔比Fe2+∶Fe3+制备的Fe3O4 的吸附效果Fig.1 Adsorption of methylene blue by PS-Fe3O4 with different Fe2+∶Fe3+molar ratios

由图1 可见，当花生壳负载Fe2+∶Fe3+摩尔比为1∶2.5 时，制备的PS-Fe3O4对亚甲基蓝的去除效率最佳，达到98.48%。对Fe2+∶Fe3+摩尔比为1∶2.5 制备的PS-Fe3O4进行量产，进行后续实验。

2.2 吸附条件优化

2.2.1 添加量的优化 改变PS-Fe3O4投加量，加入到50mL 的50mg·L-1亚甲基蓝溶液中，室温震荡1h，离心，0.22μm 滤膜过滤，在665nm 处测滤液吸光值，计算亚甲基蓝去除率，结果见图2。

图2 PS-Fe3O4 添加量的影响Fig.2 Effect of amount added of PS-Fe3O4

由图2 可见，当PS-Fe3O4加量为0.3g 时，去除率达到98.93%。当添加量达到0.4g 后，去除率均在99%以上。因此，综合考虑，后续实验中PS-Fe3O4的添加量选择为0.3g /50mL。

2.2.2 吸附时间的优化 在50mL 的50mg·L-1亚甲基蓝溶液中加入0.3g PS-Fe3O4，室温震荡不同时间，离心，0.22μm 滤膜过滤，在665nm 处测滤液吸光值，计算亚甲基蓝去除率，结果见图3。

图3 吸附时间的影响Fig.3 Effect of adsorption time

由图3 可见，在吸附时间为1.5h 时，亚甲基蓝去除效率达到99.52%，此后去除效率都达到99.9%以上，因此，后续实验中吸附时间选用1.5h。

2.2.3 pH 值的优化 在50mL 的50mg·L-1亚甲基蓝溶液中加入0.3g PS-Fe3O4，调节溶液pH 值，室温震荡1.5h，离心，0.22μm 滤膜过滤，在665nm 处测滤液吸光值，计算亚甲基蓝去除率，结果见图4。

图4 pH 值的影响Fig.4 Influence of pH value

由图4 可见，在pH 值为7、9、11 时，PS-Fe3O4对亚甲基蓝的去除率均超过99.8%，且在pH 值为9 时最高，去除率为99.87%。

2.3 吸附机理研究

2.3.1 动力学模型研究 根据2.2.2 实验结果计算不同吸附时间PS-Fe3O4的吸附量，并采用Lagergern准二级动力学方程进行线性拟合，吸附量与时间拟合曲线见图5。

图5 Lagergern 拟合曲线Fig.5 Lagergern fitting curve

由图5 可见，R2=0.9999，线性相关良好；k2常数为0.08718g·（mg·min）-1。根据准二级动力学方程计算得出理论平衡吸附容量为8.3217mg·g-1，与实验数据8.409mg·g-1吻合，表明PS-Fe3O4吸附亚甲基蓝溶液的过程符合准二级动力学。

2.3.2 等温吸附模型研究 根据Language 等温吸附线模型进行线性拟合，拟合曲线见图6。

图6 Language 拟合曲线Fig.6 Language fitting curve

由图6 可见，R2=0.9992，KL=0.0351L·mg-1，根据Language 方程计算得出PS－Fe3O4对亚甲基蓝的最大吸附容量为28.5225mg·g-1。

3 结论

本文采用PS－Fe3O4在对模拟的亚甲基蓝废水处理中有着显著的效果，说明Fe3O4的负载提升了花生壳的吸附效率。实验结果表明，当亚甲基蓝溶液浓度为50mg·L-1、Fe2+和Fe3+摩尔比为1∶2.5 时，制得的PS-Fe3O4在同等添加量、吸附时间、pH 值的条件下去除效率提升至98.48%；进一步优化吸附条件，在添加量为3g·L-1、吸附时间为1.5h、pH 值为9 时，亚甲基蓝去除效率最佳，达到99.87%。

本文采用Lagergern 准二级动力学模型和language 吸附等温线模型研究吸附特性、平衡吸附容量以及理论最大吸附容量，根据线性拟合得出理论平衡吸附容量为8.3217mg·g-1，与实验结果8.409mg·g-1吻合，通过Language 方程得出，理论上PS－Fe3O4对亚甲基蓝的最大吸附容量为28.5225mg·g-1。