改性花生壳吸附亚甲基蓝的研究

雷 娟

(太原工业学院 环境与安全工程系,山西 太原 030008)



改性花生壳吸附亚甲基蓝的研究

雷 娟

(太原工业学院 环境与安全工程系,山西 太原 030008)

通过考察不同吸附剂投加量、吸附时间、溶液初始浓度及pH等条件下的吸附情况，分析研究吸附过程的动力学,综合研究高锰酸钾改性花生壳吸附亚甲基蓝的特性．结果表明:吸附4 h达到平衡,吸附过程更符合准二级动力学模型．在25 ℃,pH为7,亚甲基蓝初始浓度为10 mg/L,改性花生壳投加量为0.8 g时,吸附率为85.48%,表明该改性花生壳对重金属离子和亚甲基蓝均有较好的吸附能力．

改性花生壳;亚甲基蓝;吸附

随着染料和纺织工业的发展,每年有大量的染料废水排放入水体中,又因其色度大,浓度高,成分复杂等特点而成为水体的重要污染源[1].在其主要处理方法如化学法、生物法和物理法中,操作简便且二次污染小的吸附法,特别是像把花生壳、玉米秸秆等来源广泛、价格低廉的各种生物质作为吸附剂,经改性可大大提高吸附性能等优势,使得此类方法受到人们的广泛关注[2]．

高锰酸钾改性花生壳是在前期的研究中制备出的对水体中Cd2+和Pb2+有较好吸附性能的改性生物质吸附剂[3],而染料废水和重金属废水是我国两种比较典型的工业废水,均为我国水体的重要污染源．所以通过考察在不同影响因素条件下,该改性花生壳对水体中MB的吸附情况,结合对其吸附过程动力学的模型拟合分析,研究了高锰酸钾改性花生壳吸附亚甲基蓝的特性,为日后将改性花生壳作吸附剂吸附重金属及染料的研究提供一定的理论基础．

1 材料和方法

1.1 改性花生壳的制备

将买来的花生壳用自来水浸泡3～4 h然后清洗掉其上的灰尘,再用去离子水将花生壳清洗两到三遍,然后在60 ℃的温度下烘箱中烘干至恒重,剪成均匀的大小为1 cm2左右的小块,将预处理后的花生壳置入事先配好质量浓度为15 g·L-1的KMnO4溶液中,准备1000 mL的大烧杯,花生壳与改性溶液的质量浓度为10 g·L-1,磁力搅拌器搅拌反应24 h,取出后用去离子水冲洗直至出水清澈,然后在60 ℃烘箱中烘干至恒重,密封保存备用[3]．

1.2 吸附实验

采用批量平衡震荡实验,向三角瓶中先后加入一定量的改性花生壳及一定浓度的对应固液比亚甲基蓝溶液,室温下将其放入转速为150 r·min-1摇床中,达到吸附平衡时间后取上清液,用可见分光光度计在波长为668 nm下测定亚甲基蓝的平衡浓度[4],每组三个平行实验,取平均值为最后结果．实验过程中溶液的量均取50 ml,用稀HCl或NaOH来调节pH．

按如下公式计算改性花生壳对亚甲基蓝的吸附效果:Q和qe分别表示吸附率和吸附容量．

(1)

其中:Q为平衡吸附率(%);C0是溶液中MB的初始浓度(mg/L);Ce是平衡时溶液中MB的浓度(mg/L)．

(2)

其中,qe为平衡吸附容量(mg/g);C0和Ce分别是溶液中MB的初始浓度和平衡浓度(mg/L);V是MB溶液的体积(ml);m是改性花生壳的质量(g)．

2 结果与讨论

2.1 亚甲基蓝溶液的标准曲线

绘制亚甲基蓝溶液的标准曲线,亚甲基蓝溶液的标准曲线如表1所示:

表1 不同浓度亚甲基蓝溶液的吸光度

2.2 改性花生壳投加量对吸附的影响

不同投加量下,改性花生壳对MB的吸附效果如图2所示,在50 ml的亚甲基蓝溶液中,改性花生壳对MB的去除率和其单位质量的吸附量随其投加量的增加呈两种相反的变化趋势,前者逐渐升高,后者明显降低．当花生壳投加量分别为0.8 g和1 g时,去除率可分别达到85.48%和94.23%,吸附量分别为0.53 mg/g和0.47 mg/g,综合考虑吸附剂与废水的固液比及吸附效果,后续研究中吸附剂投加量均设置为0.8 g．

图1 亚甲基蓝溶液的标准曲线

图2 改性花生壳投加量对吸附的影响

2.3 吸附时间对吸附的影响

图3 吸附受吸附时间的影响

图3展示了改性花生壳对MB的吸附率随时间的变化趋势,可以看出前2 h内,吸附量随着时间的增长明显上升,尤其是前1 h,吸附率由5 min的13.35%增加到1 h时的68.56%,这可能是由于短时间内亚甲基蓝首先被大量吸附在改性花生壳的表面,而随着时间的增加,改性花生壳表面的吸附位点被逐渐占据,溶液中亚甲基蓝的浓度减小,而花生壳表面的亚甲基蓝浓度升高,界面两侧浓度差减小,从而导致推动力减小,因此之后曲线依然呈上升趋势,但却明显变缓,到4 h之后,曲线基本不再变化,说明吸附已经达到平衡,由此得出吸附的平衡时间为4 h．

2.4 溶液初始pH对吸附的影响

不同溶液初始pH对MB吸附的影响如图4所示, 改性花生壳对MB的去除率在溶液初始pH由1～7的变化过程中不断升高,之后随着pH值由7～11的升高吸附率几乎保持不变．这可能是因为亚甲基蓝为阳离子染料,在水中带正电荷．在酸性环境中,对于改性花生壳上固定的吸附位点,溶液中大量的H+与MB形成竞争关系,占据吸附位点[5]．而当溶液环境变为碱性时,H+与MB的竞争优势降低,且改性花生壳表面呈负电性[6],更有利于吸附亚甲基蓝这种阳离子染料,使其吸附量增加．所以在碱性溶液中更有利于改性花生壳吸附亚甲基蓝,而碱性强度大小对吸附效果的影响不明显．故吸附的最佳pH值为7．

2.5 溶液初始浓度对吸附的影响

由图5所示,在实验所取的浓度条件下,亚甲基蓝初始浓度越大,单位质量改性花生壳对其吸附量也越大．这可能是因为随着溶液初始浓度的增大,有更多的亚甲基蓝占据改性花生壳表面的吸附位点,从而使单位质量的花生壳吸附量提高．

而吸附率的变化趋势略有不同,MB浓度在20 mg/L前随着溶液初始浓度增加,吸附率不断上升,而在20 mg/L～50 mg/L之间,吸附率随着浓度增加略呈献下降趋势,这可能是因为在较低浓度范围内,随着MB浓度的升高,在吸附到达平衡的过程中,吸附剂表面可以吸附更多的MB以达到吸附饱和,从而使吸附率不断上升．而溶液浓度较高时,由于溶液中MB相对较多,更容易使吸附饱和,从而使整体的吸附率略下降．初始浓度由10 mg/L上升到20 mg/L时,吸附率升高不多,所以实验中溶液初始浓度取10 mg/L．

图4 吸附受溶液初始pH的影响

图5 溶液初始浓度对吸附的影响

2.6 吸附动力学

为进一步研究吸附过程的动力学特性,将实验数据分别用准一级和准二级动力学模型进行拟合分析．

如下的公式(3)和公式(4)分别为准一级和准二级动力学的线性拟合方程式[7]:

(3)

(4)

其中,qt和qe分别为改性花生壳在时间t时和吸附达到平衡时的吸附容量,单位均为mg/g;

k1代表准一级动力学常数,单位为1/min;

k2代表准二级动力学速率常数,单位为g·mg-1·min-1．

两种动力学线性拟合模型分别如图6(a)和(b)所示,其中准二级动力学模型拟合相关系数R2更高,可达到0.999．通过进一步比较分析表2中各拟合参数可知,根据准二级动力学模型计算得到的平衡吸附量0.55 mg/g与实验实测值0.52 mg/g更为接近,表明改性花生壳吸附MB准二级动力学能更好的解释吸附到达平衡的过程．

图6 动力学模型拟合曲线

表2 2种吸附动力学模型的拟合参数

3 结论

1)在25 ℃,pH为7,亚甲基蓝初始浓度为10 mg/L,改性花生壳投加量为0.8 g时,吸附率为85.48%,表明该改性花生壳对重金属离子和亚甲基蓝均有较好的吸附能力．改性花生壳对亚甲基蓝的吸附4 h达到平衡,准二级动力学模型能更好的解释吸附达到平衡的过程．

2)碱性溶液中更有利于改性花生壳吸附亚甲基蓝,但碱性强度大小对吸附效果的影响不明显．

[1] 尚 娜,范顺利,胡蓓蓓，等.磷酸改性玉米芯吸附剂对水中亚甲基蓝的吸附研究[J].河南师范大学学报(自然科学版),2015,43(6):59-64

[2] Saad S A,Isa K Md,Bahari R.Chemically Modified sugarcane bagasse as a potentially low-cost biosorbent for dye removal[J].Desallnation,2010,264:123-128

[3] 林芳芳,易筱筠,党 志，等.改性花生壳对水中Cd2+和Pb2+的吸附研究[J].农业环境科学学报,2011，30(7):1404-1408

[4] 孙 杰,田奇峰.松树锯末对亚甲基蓝的吸附研究[J].环境工程学报,2012,6(2):419-422

[5] 郝一男,王喜明,丁立军.超声波处理文冠果果壳制备的活性炭对亚甲基蓝溶液的吸附[J].东北农业大学学报,2011,42(11):77-82

[6] 雷 娟,易筱筠,杨 琛，等.高锰酸钾改性花生壳吸附Cd2+和Pd2+的特性和机理的研究[J].环境工程学报,2014,8(5):1775-1783

[7] Febrianto J.,Kosasih A.N.,Sunarso J.,et al.Equilibrium and kinetic studies in adsorption of heavy metals using biosorbent:a summary of recent studies[J].J.Hazard.Mater.,2009,162(2-3),616-645

Studies on the Adsorption of Methylene Blue(MB) on Modified Peanut Shell

LEI Juan

(Department of Environmental and Safety Engineering, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008, China)

Influence of adsorbent quantity、initial solution pH、adsorption time and the initial concentration of solution on adsorption were investigated to infer the adsorption characters of MB on Potassium Permanganate modified peanut shell. Furthermore, the adsorption kinetic curve were fitted. The results indicated that the adsorption reached equilibrium after 4 h. The adsorption kinetic datas of MB well fittedpseudo-second-order kinetic model. When the initial concentration of adsorbate solution was about 10 mg/L, the adsorption capacity of the peanut shell to MB were 85.48% under the condition at 25 ℃ pH was 7 and the peanut shell quantity was 0.8 g, showed the good adsorption ability of modified peanut shell for heavy metal ions and methylene blue.

modified peanut shell; methylene blue; adsorption

2016-06-27

国家自然科学基金项目(41073088); 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07211001).

雷 娟(1987-),女,山西临汾人,硕士，太原工业学院助教，主要从事水体污染处理研究.

1672-2027(2016)03-0087-04

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