稻壳灰对亚甲基蓝的吸附性能研究

包嵩 陈少茹 吴健 戴弘毅

摘要：采用一种简单易操作的燃烧稻壳的方法，将制得的稻壳灰用于对染料废水中亚甲基蓝的吸附，考察吸附剂投加量、吸附时间、吸附温度、初始溶液pH对吸附性能的影响。扫描电子显微镜显示，制得的稻壳灰具有比表面积大、曲折度大、孔隙多等微观形貌特点。实验结果显示，吸附平衡时间仅需60 min，具有高的吸附速率。当吸附温度为20℃、投加量为24 g/L、不改变溶液初始pH时，稻壳灰对10.0 mg/L亚甲基蓝溶液具有良好的去除效果。

关键词：稻壳灰、亚甲基蓝、吸附

文章编号：1008-0546（ 2022）12x-0060-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.014

一、研究背景

稻壳作为水稻加工的主要副产物，是一种廉价易收集的可再生资源。我国是世界上最大的水稻生产国，稻壳生成量约占全球1/3以上，大量的稻壳在农村或粮米加工厂堆积如山，成为难以处理的农业废弃物。目前，国内普遍的处理方式是将稻壳作为初级燃料，综合利用率不到10%，并且燃烧后的残余物稻壳灰大都没有处理，稻壳灰质量轻、难以集中堆置，容易随着气体流动而污染环境。因此，如何有效利用稻壳灰，对环境治理、农业废弃物利用等都具有重要的意义。

本课题变废为宝，对稻壳灰资源化利用，采用一种简单易操作的燃烧稻壳的方法，将制得的稻壳灰用于对染料废水亚甲基蓝的吸附，考察吸附剂投加量、吸附时间、吸附温度、初始溶液pH对吸附性能的影响，并通过扫描电子显微镜对稻壳灰的微观形貌进行表征，以期为稻壳灰用于染料废水处理提供参考。[1-6]

二、研究过程

1．稻壳灰吸附剂的制备

将适量酒精倒入黄色的稻壳中，搅拌均匀后用火柴点燃（图1），适当搅拌使燃烧充分，待燃烧结束后，将黑色的稻壳灰自然冷却，最后密封保存。

2．扫描电子显微镜（SEM）表征

将干燥后的稻壳灰作喷金处理，场发射扫描电子显微镜在1.0 kV加速电压下观察其微观形貌。

3．亚甲基蓝标准曲线的绘制

准确配制浓度为0.35 mg/L、0.70 mg/L、1.40 mg/L、3.50 mg/L、7.00 mg/L、14.00 mg/L的亚甲基蓝溶液，以蒸馏水作为参比液，利用分光光度计进行全波长扫描，测定其在最大吸收波长处的吸光度值。以浓度c为横坐标，吸光度A为纵坐标，绘图拟合后得到工作曲线方程。根据该方程，测出溶液的吸光度，则可求出对应浓度，再根据以下公式求去除率Re。式中，Co、Ct分别为初始和t时刻溶液中亚甲基蓝的浓度（mg/L）。

4．不同吸附剂投加量的比较

室温下（约10℃），称取0.30 g、0.60 g、0.90 g、1.20 g、1.50 g、1.80 g稻壳灰，分别加入100 mL锥形瓶中，再加50 mL 10.0 mg/L亚甲基蓝溶液，将锥形瓶固定于脱色摇床上（图2a），振荡20 min后，分别吸取少量液体，以转速3 000 rpm离心5 min，最后分别取上述清液（图2b），测定其吸收曲线。

5．不同吸附时间的比较

室温下（约10℃），在锥形瓶中分别加入1.80 g、2.70 g、3.60 g稻壳灰，再加150 mL 10.0 mg/L亚甲基蓝溶液，将锥形瓶固定于脱色摇床上振荡，定时吸取少量液体，以转速3 000 rpm离心5 min，最后分别取上述清液，测定其吸收曲线。

6．不同吸附温度的比较

在锥形瓶中分别加入0.90 g、1.20 9稻壳灰，再加50 mL 10.0 mg/L亚甲基蓝溶液，将锥形瓶固定于水浴恒温振荡器中（图3），分别在10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃条件下恒温振荡，转速175 rpm，20 min后吸取少量液体，以转速3 000 rpm离心5 min，最后分别取上述样品的清液，测定其吸收曲线。

7．不同初始pH的比较

室温下（约10℃），在锥形瓶中加入50 mL 10.0 mg/L亚甲基蓝溶液，用NaOH和盐酸调节pH，再加1.20 g稻壳灰，将锥形瓶固定于脱色摇床上振荡20 min，再分别吸取少量液体，以转速3 000 rpm离心5 min，最后分别取上述样品的清液，测定其吸收曲线。

三、数据记录与分析

1．亚甲基蓝的标准曲线方程

根据吸收光谱（图4a）可以看出，亚甲基蓝在667 nm处有一最强吸收峰，文献记载最大吸收波长是664 nm，这可能与仪器、实际样品有关，因此后续实验中选择667 nm作为实际测定波长。以浓度c为横坐标，吸光度4为纵坐标，拟合后得到工作曲线方程：A=0.1537c-0.0167。结果显示，在0-14.0 mg/L浓度范围内，线性较好R2=0.9997（图4b）。

2．不同吸附剂投加量的比较

吸附剂的投加量直接关系着对亚甲基蓝溶液的吸附效果，也与吸附成本密切相关，因而在实际应用中是一个重要的考察指标。由图5a可知，随着稻壳灰投加量的增加，去除率逐渐提高，可能是因为吸附剂提供的吸附位点随吸附剂投加量的增加而相应增多，吸附位点可以有效地与溶液中的亚甲基蓝发生相互作用，因此去除率呈现快速上升趋势。当投加量超过24 g/L时，去除率趋于稳定，这是因为吸附剂投加量增大时吸附剂颗粒之间的聚合作用对吸附过程产生阻碍。此外，投加量越多，提取清液也越困难，更会使清液掺有更多的杂质，其吸收曲线峰形也有所偏差（圖5b）。因此，实验结果表明，室温下（约10℃），当吸附剂投加量为24 g/L时，振荡吸附20 min即可达到良好的吸附效果，对10.0 mg/L亚甲基蓝的去除率达80.9%，提取清液较简便，且吸附成本也较低。

3．不同吸附时间的比较

吸附时间是考察吸附剂实际应用价值的一个重要指标，时间越长会导致处理周期延长，则经济效益也会受到影响。由图6可知，随着吸附时间的增加，稻壳灰对亚甲基蓝的去除率在前10 min迅速升高，这主要是因为稻壳灰的比表面积大，表面具有大量吸附空位。随着时间的增加，吸附空位逐渐被填满，因而去除率增速减缓，经过60 min后吸附趋于平衡，而超过60 min后提取清液逐渐困难，更会使清液掺有更多的杂质，其吸收曲线峰形也有所偏差。因此，实验结果表明，室温下（约10℃），当吸附剂投加量为24 g/L、吸附时间为60 min时，即可达到良好的吸附效果，对10.0 mg/L亚甲基蓝的去除率达87.9%，提取清液较简便，且处理周期也较短。

4．不同吸附温度的比较

由图7可知，吸附温度对稻壳灰的吸附性能影响很大。随着温度的升高，稻壳灰对亚甲基蓝的去除率逐渐提高，这可能是因为温度较高时，稻壳灰中残存的油类物质会与稻壳灰分离而悬浮于液面上，使稻壳灰中被油类堵塞的空隙数目减少，吸附位点增多。考虑成本因素，选取20℃，此温度下即可达到良好的吸附效果。

5．不同初始溶液pH值的比较

溶液的pH值是影响吸附效果的重要因素。由图8可知，整体而言，去除率变化幅度不大（72%- 84%）。pH值越小越不利于吸附，这可能因为亚甲基蓝是阳离子染料，氢离子浓度越大时，会与阳离子染料发生竞争吸附，导致吸附能力降低。室温下（约10℃），随着pH值的增大，去除率缓慢升高，最佳的吸附pH为8。实际测得亚甲基蓝溶液的初始pH约为7，为考虑操作简便，则不改变溶液初始pH。

6．稻壳灰的微观形貌分析

通过扫描电子显微镜（SEM）表征（图9），可以显示出稻壳灰有许多沟壑，具有比表面积大、曲折度大、孔隙多等微观形貌特点，能够提供大量活性吸附位点，利于吸附其他物质于表面，由此说明稻壳灰具有较好的吸附能力。

四、结论

本课题采用一种简单易操作的燃烧稻壳的方法，制备的稻壳灰呈现黑色，说明含碳量较高，具有良好的活性，扫描电子显微镜显示其具有比表面积大、曲折度大、孔隙多等微观形貌特点。吸附实验结果表明，当吸附温度为20℃、投加量为24 g/L、不改变溶液初始pH、振荡吸附时间为20 min时，稻壳灰对10.0 mg/L亚甲基蓝溶液的去除率即可达83.9%。此外，稻壳灰是一种低成本的吸附剂，平衡时间仅需60 min，具有快速的吸附速率。

大气污染防治条例实施后，部分城区企业将禁止使用燃煤锅炉，若企业把原有锅炉改造为使用稻壳作为燃料，再将稻壳灰用于处理印染废水，不但可以减小更新锅炉的投入，而且具有良好的经济效益和环境效益。本课题为稻壳灰用于染料废水预处理提供了一定的参考。

我国是世界上最大的水稻生产国，随着科技的发展，以稻壳为原料的研究必将不断深入。我们要充分利用稻壳灰的吸附性能，将稻壳灰制成能够灵活使用的吸附载体，积极拓宽其应用领域，这一方向是值得继续研究的。

参考文献

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[4]李永亮，李健，梅国芳，贾立明，于亭亭，邱阳．稻壳灰处理印染废水效果研究[J]．中国稻米，2018，24（ 01）：80-82+86．

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[6] 史召霞．脱硅稻壳灰对染料的吸附性能研究[D]．郑州：郑州大学，2013．