改性巴旦木核壳吸附性能的研究

(宁夏师范学院 宁夏 固原 756000)

改性巴旦木核壳吸附性能的研究

杜伟马岩赵冬妹王海花

(宁夏师范学院宁夏固原756000)

本研究以巴旦木核壳为原料,采用化学活化法得到改性实验后的巴旦木核壳活性炭,考察了巴旦木核壳活性炭加入量,活化温度,活化时间等因素对活性炭的吸附性能的影响,通过四因素三水平试验和响应面分析法确定了巴旦木核壳活性炭吸附作用的最佳工艺条件, 得出当巴旦木核壳活性炭的用量为15mg、作用时间为135min、吸附温度为50℃时,核壳活性炭对亚甲基蓝的去除效果较好，结果表明:在此工艺条件下,亚甲基蓝吸附值为200mg/L。动力学研究显示,对亚甲基蓝的吸附能够在120 min内迅速达平衡,吸附行为符合准二级动力学方程,表明该吸附过程以化学吸附为主。吸附等温线研究表明,与Freundlich模型相比,实验数据拟合更符合Langmuir吸附等温模型。

巴旦木核壳；改性；吸附效果；影响因素；亚甲基蓝溶液

一、实验部分

(一)试剂和仪器：

SX2-4-10型马弗炉,UV-6100型紫外可见分光光度计,SHZ-B型回旋式水浴恒温振荡器,FA1004型电子天平,pHS-3C型精密pH计,DNG-9036A型电热恒温鼓风干燥箱。

(二)测定亚甲基蓝的标准曲线:

1、亚甲基蓝系列标准溶液的配制:

准确称取与公式计算所需亚甲基蓝干燥品质量0.500g相当的未干燥品，将称取的亚甲基蓝称准至0.001g溶解60±10℃水中待全部溶解后冷却到室温移入1000ml的容量瓶中稀释至标线。另分别移取适量该溶液配制成系列标准溶液。

2、绘制亚甲基蓝溶液标准曲线

查阅文献可知亚甲基蓝吸收光谱曲线的最大吸收波长为665nm。用分光光度计测定系列标准溶液在此处的吸光度值测定结果如表所示注标准原溶液的浓度为531mg/l.

以浓度C对吸光度A作图。从图中可以看出C-A在较宽的浓度范围内满足线性关系两者关系式为C=3.9319A相关系数为R2=0.9999满足该关系式的线性范围为0-4mg/l。在该线性范围内通过C-A的关系式可以由测得的吸光度值求出溶液的浓度。

二、巴旦木核壳的改性及制备方法：

将巴旦木壳浸泡清洗干净后烘干、粉碎,过筛孔0.55 mm筛备用。称取10 g(精确至0.1 mg)原料放入锥形瓶中,加入20 g的氯化锌作为活化剂,加入100 m L去离子水搅拌混匀,之后塞上塞子,置55 ℃、转速为150 r/min的恒温振荡器中旋转浸渍4 h。

将浸渍好的料液放入105 ℃的电热鼓风烘箱中干燥6 h,再取出放入马弗炉,升温至600 ℃,恒温炭化、活化80 min。将试样从马弗炉中取出,并用(1+ 9)盐酸溶液浸泡一段时间,再用去离子水洗涤至中性,过滤后放入105 ℃的电热鼓风烘箱中干燥6h至恒量,在干燥器中冷却后,将试样研磨并过筛孔0.25 mm筛网,即可得到改性巴旦木吸附剂。

三、吸附实验过程：

在100mL锥形瓶中加入一定量的巴旦木核壳粉, 再加入20mL一定浓度的吸附质标准溶液, 调节溶液pH值, 密闭瓶口, 在一定温度下采用SHZ-B型回旋式水浴恒温振荡器对样品进行振荡吸附一定时间, 离心分离, 取上清液, 采用UV-6100型紫外可见分光光度计测定滤液中MB浓度, 测定波长为665nm。吸附量、吸附率计算如下：

(1)

(2)

Co和Ce分别表示吸附质的初始浓度和平衡浓度, mg/L;m为吸附剂的质量, mg;V为溶液体积单位为ml。

(一)亚甲基蓝的初始浓度对吸附效果的影响：

目标对象的初始浓度是影响材料吸附性能的又一重要因素，它是克服目标对象从液相至固相传质阻力的重要驱动力。不同MB初始质量浓度为0 ～ 200mg/L时，随着溶液中MB初始浓度的增加，到达平衡时巴旦木核壳活性炭对MB的吸附量先急剧增加，然后保持不变。这是因为当溶液中吸附材料的总量保持不变时，随着MB初始浓度的增加，MB与吸附剂表面的接触机会增加，可充分利用吸附剂表面的吸附位点，有利于吸附剂对MB的有效吸附; 当MB浓度增加到一定程度时，由于体系中吸附剂的活性位点达到吸附饱和①，巴旦木核壳活性炭对MB 的吸附量就保持平衡不再增加。所以当反应时间为30 min 时，200 mg/L的初始浓度可获得平衡吸附。当初始浓度200mg /L 时，吸附率达到最高，吸附率为97.68%，当初始浓度>200 mg /L时，吸附率降低。

(二)吸收剂的加入量对吸附效果的影响：

吸附剂用量对改性巴旦木核壳吸附MB的影响当吸附剂用量为10～50 mg，MB初始质量浓度为100 mg/L时，改性巴旦木核壳对MB的吸附。随着改性巴旦木核壳添加量的增加，对MB的吸附率呈上升趋势，直至达到定量吸附( 90%以上)。这是因为吸附材料提供了更多的吸附活性位点而体系中MB 的总量不变，说明改性巴旦木核壳对MB具有较好的吸附效果。对于初始质量浓度为100 mg/L的MB溶液，15mg的改性巴旦木核壳即可达到定量吸附。

随着巴旦木壳核壳用量由10mg增至50mg,亚甲基蓝的去除率由42.1%增至94.9%,这是由于增加巴旦木核壳的用量可以增多吸附材料的吸附位点,促进了其对亚甲基蓝的吸附。因此,综合经济角度考虑,实验选择巴旦木核壳的最适宜用量为15mg。

(三)温度对吸附效果的影响：

在30、40和50 ℃条件下测定了活性炭对亚甲基蓝溶液吸附的影响，试验结果表明，活性炭对亚甲基蓝溶液的吸附量随温度的增加成比例的增大，从235.041升至287.307 mg·g-1。这是因为升高温度加快了亚甲基蓝的迁移速度，促进了活性炭对亚甲基蓝分子的吸附；同时这是一个吸热的反应，升高温度能使活性炭内部结构发生膨胀作用，从而穿透亚甲基蓝分子，也使吸附量②增大。巴旦木壳核壳对亚甲基蓝吸附容量的变化,由实验结果得知。当亚甲基蓝的初始质量浓度为200mg·L,温度由30℃升至50℃时, 巴旦木核壳对亚甲基蓝的吸附容量由235.041升至287.307 mg·g-1，继续提升温度, 巴旦木核壳对亚甲基蓝的吸附容量无明显提高,因此实验选择最佳温度为50℃。

采用Langmuir和Freundlich③两种等温吸附模型对吸附数据进行拟合，拟合方程式如下：

Ce/Qe=1/(KLQm)+Ce/Qm

lnQe=lnKF+lnCe/n

式中Ce为亚甲基蓝溶液的平衡浓度(mg·L);Qe和Qm分别为亚甲基蓝的平衡吸附容量(mg·g)与饱和吸附容量(mg·g);KL为Langmuir平衡系数(L·mg);KF和n分别为Freundlic常数。

从实验数据可知，Langmuir等温吸附模型能够更好地拟合实验结果,相关系数(r)不低于0.996,表明亚甲基蓝在巴旦木核壳上的吸附是单分子层吸附,Freundlich方程指数n在1-10之间,说明亚甲基蓝在巴旦木核壳上的吸附是有利的。

(四)吸附过程对时间的依赖性：

通过预设定的时间间隔，在30 mL的500mg·L-1的亚甲基蓝溶液加入15mg活性炭，于30℃测定时间对吸附量的影响，最后通过改变温度(分别为30，40和50 ℃)，考察了吸附时间对巴旦木核壳吸附亚甲基蓝溶液的影响。结果表明,在120 min内, 巴旦木核壳的吸附容量随时间的延长而增大,120 min后吸附趋于平衡,表明巴旦木核壳的吸附容量达到饱和。通过实验得出吸附时间宜控制在135 min。

In(qe-qt)=Inqe-k1t

(3)

t/qt=1/k2qe2+t/qe

(4)

qt=kpt1/2+c

(5)

准一级和准二级动力学方程拟合结果表明,采用准二级动力学模型计算的吸附容量值(Qe,cal)为43.9 mg·g,与实验测得的吸附容量值(Qe,exp)41.7 mg·g非常接近,且相关系数(r)为0.998 8,明显大于准一级动力学方程,因此准二级动力学模型能更好地描述巴旦木核壳对亚甲基蓝的吸附过程。由此说明巴达木核壳吸附亚甲基蓝的过程以化学吸附为主。

四、实验结论：

1、氯化锌浸渍活化法制备的巴旦木核壳,在吸附温度为50 ℃、活性炭用量为15mg、溶液pH为2、吸附时间为135 min、对亚甲基蓝的初始质量浓度为200 mg /L的条件下, 亚甲基蓝的吸附去除率最大能够达到97.68%, 单位质量巴旦木核壳对亚甲基蓝吸附量也能达到97.68mg/g。对亚甲基蓝具有良好的吸附能力。影响巴旦木核壳对亚甲基蓝的吸附率的因素依次为: 吸附时间>初始浓度>温度>吸附剂用量。

2、改性巴旦木核壳对亚甲基蓝吸附的最佳工艺条件为: 温度为50℃，巴达木核壳吸附剂的量为15mg，初始浓度为200 mg /L，吸附的时间为135 min。在最佳的工艺条件下，吸附率达97.68%。

3、在改性后巴旦木核壳对亚甲基蓝染料吸附作用中，随着温度升高吸附率有所降低，说明吸附作用是一个吸热反应。等温吸附符合Langmuir与Freundlich吸附方程。Langmuir方程拟合相关系数R均达到0.99以上,可推测改性巴旦木核壳的吸附是在其表面上的单层吸附,是属于一种化学吸附,且吸附过程中发生吸热反应。

指导教师:赵红建

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[3]程凤莲，孟范平，周游，等．大型海藻浒苔对碱性染料亚甲基蓝的吸附性能[J]．化工进展，2011 ( 6) : 887-891．

[4]田娜，龙浩，赵增迎．油页岩渣对亚甲基蓝吸附性能的实验研究[J]．山西建筑，2012( 9) : 120-121．

[5]李红萍，韩秀丽，刘国际．气体膨胀液体处理松针落叶对水体中亚甲基蓝的吸附机理的研究[J]．高等化学工程学报，2010，24( 6) : 1059-1064．

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【注解】

①发生此现象, 推断是巴旦木核壳粉表面吸附不均匀所导致。在吸附初期, 亚甲基蓝分子首先占据表面吸附势较大的位点, 但是亚甲基蓝分子的表面覆盖率和微盖率和微孔的填充度随着吸附量的增大而增大。

②巴旦木核壳在3个不同温度下吸附亚甲基蓝的RL值均<1, 通过查阅文献可知:0﹤RL﹤1, 表明有利于吸附;RL=0, 不可逆;RL=1, 呈线性吸附;RL﹥1, 表明巴旦木核壳除去水溶液中的亚甲基蓝是可行的。

③Freundlich模型中1/n代表偏离线性程度。1/n﹤1时, 说明易于吸附;1/n﹥1时, 说明难以吸附。

项目名称:改性巴旦木核壳吸附性能的研究

项目类别:自然科学类

项目负责人:杜伟

杜伟(1995-)，男，汉族，宁夏回族自治区固原市人，大学本科生，宁夏师范学院化学化工学院应用化学专业。