活性炭对直接黑19染料的吸附性能

朱 圳，庄俊俊

（1.苏州经贸职业技术学院纺织服装与艺术传媒学院，江苏苏州 215009；2.江苏省高端纺织智造工程研究中心，江苏苏州 215009）

纺织工业作为我国最大的传统产业，是当代我国国民经济中一个庞大的、最稳定的支柱产业，也是重要的民生产业，解决了11.7 亿人的就业。印染是纺织行业污染最重的工序，我国印染企业每天排放的废水量达300 万～400 万t，占纺织工业废水排放总量的70%［1］。品种繁多的染料的大量使用，造成了印染废水色度大、生物毒性大、有机污染物质难降解，因此高效处理印染废水是纺织工业可持续发展的关键。和其他方法相比，吸附法利用吸附剂的多孔性质，将废水中的一种或者多种物质吸附在其表面，具有操作简单、去除效率高等优势，在处理印染废水领域受到关注［2-3］。活性炭是常用的吸附剂，由于其独特的孔结构、优良的吸附性能、成本低等优点，近年来被广泛应用［4-5］。直接黑19 是主要的黑色染料品种之一，应用于各种棉、黏胶纤维与蚕丝、羊毛交织、混纺织物的染色和直接印花。但到目前为止，有关直接黑19 染料的吸附研究还比较少，因此本实验选择直接黑19 作为目标染料、活性炭作为吸附剂，讨论活性炭对直接黑19 染料的吸附性能，并探究最佳吸附条件，以期为活性炭对染料吸附技术的发展提供有益的基础性数据参考。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：活性炭（10～32、16～42、200 目）、直接黑19（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），实验用水均为蒸馏水。直接黑19结构式如下所示：

仪器：PHS-3C 型酸碱度测试仪（上海雷磁仪器有限公司），HS5S 型数显恒温磁力搅拌器（群安实验仪器有限公司），BS224S 型电子天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司），TU1900 型紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限公司），单道可调移液枪［20～200、100～1 000 μL，大龙兴创实验仪器（北京）有限公司］。

1.2 实验方法

称取直接黑19，配制成1 g/L 溶液，采用紫外-可见分光光度计测试溶液在200～800 nm 的吸光度，并绘制标准曲线。

取一定量的活性炭和直接黑19 溶液，数显恒温磁力搅拌器搅拌一定的时间，取上清液至离心管，采用紫外-可见分光光度计对其进行光谱扫描，通过下式确定活性炭对直接黑19染料的吸附性能。其中，R为直接黑19 染料的去除率，%；ρ0为直接黑19溶液的初始质量浓度，mg/L；ρ为吸附后直接黑19 溶液的质量浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 直接黑19的紫外-可见吸收光谱和标准曲线

图1 是直接黑19 染料溶液在不同质量浓度下的紫外-可见吸收光谱曲线。由图1 可以看出，虽然染料质量浓度不同，但曲线的基本形状一致。根据不同质量浓度的直接黑19 染料在653 nm 的吸光度绘制质量浓度-吸光度曲线，得到图2 的标准曲线。由图2 可以看出，标准曲线的方程式为y=0.012 8x-0.031 8，相关系数R2为0.999 9，因此直接黑19 的质量浓度和653 nm 处的吸光度呈良好的正相关直线关系，可以用于吸附实验的定量分析。

图1 直接黑19在不同质量浓度下的紫外-可见吸收光谱

图2 直接黑19的质量浓度与吸光度标准曲线

2.2 活性炭吸附直接黑19的影响因素

2.2.1 活性炭目数和用量

图3 是不同目数（10～32、16～42、200 目）、不同用量（0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 g）的活性炭对直接黑19 吸附去除率的影响。由图3 可以看出，在相同的活性炭用量下，目数越大，活性炭对直接黑19 的去除率越高，即200 目活性炭吸附去除直接黑19 的效率始终高于10～32 目和16～42 目。这是因为单位体积中目数越多，活性炭比表面积越大，每个活性炭颗粒和直接黑19的接触面积更大，吸附性能越好。

图3 显示，对于不同目数的活性炭，随着活性炭用量的增加，对直接黑19 的吸附去除率也明显增加。当200 目活性炭用量为0.9 g 时，直接黑19 的去除效率最高，达到了87.12%。这是因为活性炭用量越大，活性炭能够提供的吸附位点越多，吸附传质动力越大，直接黑19 分子更容易与活性炭表面的活性位点结合，吸附能力越大。HAMEED 等［6］发现当活性炭的吸附位点饱和后，投加更多的活性炭，吸附能力会出现下降现象。而这3 种活性炭的用量为0.1～0.9 g 时，活性炭的吸附位点未饱和，其吸附去除率一直上升，吸附能力没有受到限制，说明在此实验条件下活性炭仍可吸附直接黑19。

图3 活性炭目数和用量对吸附去除直接黑19的影响

2.2.2 pH

图4 是3 种活性炭在不同pH 条件下对直接黑19的吸附去除率。

图4 pH 对活性炭吸附去除直接黑19的影响

由图4 可以看出，当pH 为3.47 时，3 种不同目数的活性炭对直接黑19 染料的去除效率都是最高，说明溶液为酸性条件有利于活性炭吸附直接黑19；当pH 小于7 时，溶液中存在大量氢离子，而直接黑19 在水中以带负电荷的阴离子形式存在，加快活性炭对直接黑19 的吸附反应［7］。因此，酸性溶液更利于活性炭吸附直接黑19。由图4 还可以看出，在相同pH 下，200 目活性炭对直接黑19 的吸附去除率始终高于10～32 目和16～42 目；当pH 为3.47 时，200 目活性炭对直接黑19 的吸附效果最好，达到了91.53%。因此选择200目活性炭进行下面的实验。

2.2.3 染料初始质量浓度

图5 显示了200 目活性炭在pH 3.47 条件下对不同初始质量浓度直接黑19 的吸附去除率。由图5 可以看出，直接黑19 的初始质量浓度不同，活性炭对其吸附去除率也是不同的。直接黑19 的初始质量浓度越低，去除效率越高，活性炭吸附性能越好，说明直接黑19 初始质量浓度高不利于活性炭的吸附去除。这是因为随着直接黑19 初始质量浓度的增加，单位质量活性炭周围的直接黑19 分子数也增加，而活性炭的吸附活性位点数量是一定的，逐渐会达到吸附饱和状态，此时，过量的直接黑19 分子只能在溶液中处于游离状态，不能被活性炭吸附去除。直接黑19 初始质量浓度为18.95 mg/L 时，200 目活性炭对其去除率最高，达到98.26%。

图5 直接黑19不同初始质量浓度对活性炭吸附性能的影响

2.2.4 温度

在影响吸附过程的各个因素中，温度是其中的一个重要参数。图6 是活性炭在不同温度下吸附去除直接黑19 的效果。由图6 可以看出，活性炭在不同的温度下对直接黑19 染料的吸附去除率明显不同，随着温度的升高，活性炭对直接黑19 的去除率逐渐增大，但超过38 ℃后，温度继续升高，去除率反而下降。这是因为温度升高一方面促进直接黑19 分散，另一方面又加快活性炭对直接黑19 的解吸速度；当温度过高时，活性炭的解吸速率超过分散速率，出现直接黑19 去除率下降的现象。因此，吸附温度在38 ℃时活性炭对直接黑19染料的吸附去除率达到最高。

图6 温度对直接黑19吸附去除率的影响

2.2.5 吸附时间

图7 是活性炭对直接黑19 吸附20、30、40、50、60、360 min 后的去除率，实验条件是200 目活性炭、pH 3.47、初始质量浓度18.95 mg/L。由图7 可以看出，当吸附时间小于60 min 时，随着吸附时间的延长，活性炭对直接黑19 的吸附去除率逐渐增大。这是由于实验刚开始时，活性炭表面的活性位点相对较多，水溶液中的直接黑19 浓度相对较高，吸附传质动力较大，直接黑19 分子迅速与活性炭的活性位点发生作用，吸附在活性炭表面。随着吸附过程的进行，直接黑19 和活性炭之间的浓度差渐渐降低，之前吸附在活性炭表面的直接黑19 分子逐渐通过活性炭中、大孔扩散进入到微孔结构中，直接黑19 的扩散速率变慢［8］。吸附时间继续延长，活性炭对于直接黑19 的吸附逐渐趋于饱和，吸附量和直接黑19 的去除率增长缓慢。所以，当吸附时间为360 min 时，直接黑19 的去除效率最高，为92.49%，比吸附60 min 时的去除率（91.53%）增长不多。这说明活性炭对直接黑19 吸附60 min 后基本达到饱和，且不存在脱附现象。因此，吸附时间控制在60 min为宜。

图7 活性炭吸附不同时间对直接黑19去除率的影响

3 结论

活性炭吸附直接黑19 的最佳条件为：活性炭目数200、用量0.9 g、pH 3.47、直接黑19 初始质量浓度18.95 mg/L、吸附温度38 ℃、吸附时间60 min。此时去除率可达到91.53%。