磁性木质素基活性炭吸附亚甲基蓝的特性研究.pdf

第 52 卷第 10 期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.10 2023 年 10 月 Liaoning Chemical Industry October，2023 基金项目基金项目：南阳师范学院校级科研项目（项目编号：2020STP010）。收稿日期收稿日期：2022-09-28 作者简介作者简介：田龙（1977-），男，副教授，博士，河南省南阳市人，2013 年毕业于郑州大学生物工程，研究方向：生物质资源开发利用。磁性木质素基活性炭吸附亚甲基蓝的特性研究 田 龙（南阳师范学院，河南 南阳 473061）摘 要：为了探索磁性木质素基活性炭对亚甲基蓝的吸附性能和机制，采用化学共沉淀法制备木质素基磁性活性炭，考察了该磁性活性炭对亚甲基蓝的吸附性能。结果表明：该活性炭吸附亚甲基蓝的过程符合 Langmuir 吸附等温模型，吸附动力学符合用 Elovich 模型。磁性木质素基活性炭吸附亚甲基蓝是化学吸附为主的单分子层吸热过程。关 键 词：木质素；活性炭；磁性；吸附；亚甲基蓝 中图分类号：TQ424.1 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）10-1425-03 纤维素、半纤维素和木质素是生物质的三大组分，木质素的含量仅次于纤维素而高于半纤维素。我国的造纸废液年排放量巨大，木质素作为造纸废液中的主要成分，在污染环境的同时，也造成了资源浪费。近年来，印染行业的排放废水日益增多。水体中的染料影响了水生生物的光合活性，也对水生生物产生毒害作用1-6。亚甲基蓝是一种常用染料，也是较难处理的染料废水。近年来，吸附法处理印染废水日益受到重视7-13。活性炭具有成本低、吸附力强的优势，以农林废弃物为原料来生产活性炭是吸附材料制备研究的热点。如果以木质素为原料生产活性炭，可实现废物利用且减少污染。传统吸附材料与被吸附物质不易分离、难再生，存在二次污染风险，磁性材料作为吸附介质可借助于外磁场作用较易实现与被吸附物质分离，方便重复使用。近年来，磁性活性炭的制备成为研究热点，但制备条件较为复杂，不利于工程应用。为了开发利用木质素资源，通过化学共沉淀法得到木质素基磁性活性炭，分析了该活性炭对亚甲基蓝的吸附性能，为废水处理的新技术开发提供参考。1 材料与方法 1.1 实验试剂 氢氧化钠、四水合氯化亚铁、磷酸、六水合三氯化铁、粉末活性炭（PAC）、亚甲基蓝，均为国产分析纯。实验用水为自制去离子水。木质素，南阳市东风纸业有限公司提供。1.2 实验方法 1.2.1 磁性活性炭的制备 取 5.000 g 木质素，添加一定浓度的磷酸，充分搅拌，静置 40 min，过滤，干燥。再把木质素置于马弗炉中，在设定的温度和时间下活化，再以热水洗至中性，干燥并粉碎，过 40 目（0.425 mm）筛，备用。称取 3.9 g FeCl36H2O 与 1.4 g FeCl24H2O，置于烧杯，添加 1.65 g 活性炭，混匀，60 下加入 50 mL 5.0 molL-1的 NaOH 溶液，同时要搅拌 40 min，沉淀完全后除去上清液，悬浊液置于烘箱烘干，清水冲洗产品至中性，磁力回收后在 60 条件下干燥，即得成品。1.2.2 脱色实验 室温条件下，配制 1 000 mL 模拟染料废水。在恒温条件下加入一定质量的活性炭，控制好 pH，在一定时刻取样，通过 0.45 m 滤膜过滤，测定 COD和亚甲基蓝浓度。2 结果与讨论 2.1 吸附等温线 本文采用Langmuir方程和Freundlich方程探索磁性木质素基活性炭的吸附过程。Langmuir 方程如下：?=?+?。（1）式中：qe平衡吸附量，mgg-1；qm理论饱和吸附量，mgg-1；bLangmuir 模型常数；c平衡质量浓度，mgL-1。将 Freundlich 方程转化成线性形式，得到：1426 辽 宁 化 工 2023 年 10 月 ln?=ln?+?ln?。（2）式中：kFreundlich 平衡常数；1/n组分因数；c平衡质量浓度，mgL-1。固定吸附条件为：pH=9、温度 293 K、吸附剂投量 0.4 gL-1。调整亚甲基蓝的质量浓度，在吸附达到平衡后，用分光光度计测定残余亚甲基蓝质量浓度，通过绘制吸附等温线发现，该活性炭的吸附能力随着亚甲基蓝平衡质量浓度的增加而快速提高，最大吸附容量为 310.5 mgg-1，而 PAC 的最大吸附容量为 271.6 mgg-1。对于 293 K 条件下的实验数据，经拟合可得到表 1 的结果。表 1 等温方程拟合结果 吸附剂 Langmuir Freundlich R2 b qm R2 k n 磁性活性炭 0.993 4.79 311.6 0.758 237.46 13.47 活性炭 0.685 68.62 371.8 0.991 258.62 28.36 由表 1 可以看出，磁性活性炭的吸附情况可以用 Langmuir 方程来表征，而未赋磁的活性炭则适宜用 Freundlich 模型来描述。2.2 亚甲基蓝去除效果分析 2.2.1 pH 对吸附的影响 固定吸附条件如下：磁性活性炭投加量为 0.4 gL-1、亚甲基蓝质量浓度为 250 mgL-1、吸附时间为 300 min。改变 pH，分析 pH 变化对吸附容量的影响，结果见图 1。图 1 pH 对磁性活性炭、PAC 吸附容量的影响 从图 1 可知，当 pH 较小时，两种活性炭的吸附容量均较小；随着 pH 的增大，磁性活性炭及 PAC的吸附容量显著增加，这说明提高 pH 可大幅提高活性炭对亚甲基蓝的吸附容量。2.2.2 吸附时间对染料和 COD 去除率的影响 固定活性炭投加量为 0.4 gL-1，pH 为 9，亚甲基蓝质量浓度为 250 mgL-1，分析吸附时间对吸附效果的影响，结果如图 2 所示。图 2 吸附时间对去除率的影响 由图 2 可以看出，磁性活性炭吸附亚甲基蓝的速度很快，60 min 之后 COD 及亚甲基蓝的去除率基本达到平衡。2.3 吸附热力学 用式（3）计算G0，利用式（5）计算 H0 及 S0。?=?ln?。（3）?=?。（4）ln?=?。（5）式中：A平衡状态下亚甲基蓝在固相中的质量浓度；e达到平衡时亚甲基蓝的质量浓度；S0、H0熵变和焓变；R气体数；T热力学温度。计算可以得到如表 2 所示的热力学参数。表 2 磁性活性炭吸附亚甲基蓝的热力学参数 T/K G0/(kJmol-1)H0/(kJmol-1)S0/(kJmol-1K-1)293 12.48 55.37 0.258 303 14.75 313 16.63 由表 2 可知，磁性活性炭对亚甲基蓝的吸附过程的G00，表明磁性活性炭对亚甲基蓝的吸附过程可以自发进行，且随温度的升高，G0绝对值相应增加。吸附焓变 H00，表明该吸附为吸热过程。由于该吸附过程的 H050 kJmol-1，表明该吸附过程以化学吸附为主。S00，表明吸附过程第 52 卷第 10 期 田龙：磁性木质素基活性炭吸附亚甲基蓝的特性研究 1427 是无序随机进行的。2.4 吸附动力学 取质量浓度分别为 100、150、200 mgL-1的亚甲基蓝溶液进行吸附动力学实验，结果如图 3 所示。用准一级、准二级、Elovich 方程分别拟合，所得参数见表 3。图3 活性炭对亚甲基蓝吸附量随时间的变化 表3 拟一级、拟二级动力学模型和Elovich方程参数/(mgL-1)拟一级动力学模型 拟二级动力学模型 Elovich方程 k1/(gmg-1h-1)R2 k2/(gmg-1h-1)R2/(mgg-1h-1)/(gm-1g-1)R2 100 0.134 0.942 0.026 0.891 2786.56 0.067 0.993 150 0.093 0.917 0.038 0.894 1358.43 0.053 0.996 200 0.096 0.940 0.055 0.896 2567.47 0.046 0.995 图 3 表明，吸附初期活性炭对亚甲基蓝的吸附速率较快，30 min 内达到总吸附量的 70%以上。随着时间的延长，吸附速率逐渐下降，吸附 120 min 后，吸附量接近平稳。表 3 表明，3 个回归模型的相关系数均较高，说明颗粒内扩散不是该吸附过程的控速步骤，吸附过程受其他吸附过程的共同控制。2.5 材料的分离效果 实验表明，自然沉降时，该磁性活性炭耗时 28 min 才能沉淀完全，而在外加磁场作用下，仅用时 16 s 即可实现分离。3 结 论 利用木质素制备了磁性活性炭，采用 Langmuir 模型及 Elovich 模型描述了其吸附过程，本研究为生物质资源的开发利用提供基础依据。参考文献：1 周律，徐昆，邱照景.基于分质回用的印染生产过程节水方法J.清华大学学报（自然科学版），2017（3）：331-336.2 王昭阳，齐晶瑶，王博，等.钢渣粒子电极三维电催化法处理模拟印染废水J.哈尔滨工业大学学报，2015（8）：38-42.3 李亮，董怡华，胡筱敏.原位电凝聚膜生物反应器处理模拟印染废水J.中南大学学报（自然科学版），2013（10）：4350-4356.4 郑怀礼，冯力，蒋贞贞，等.聚合硫酸铁铝处理印染废水J.土木建筑与环境工程，2013（5）：1-6.5 任南琪，周显娇，郭婉茜，等.染料废水处理技术研究进展J.化工学报，2013（1）：84-94.6 叶国祥，周烁灵，玙唐佳，等.Fe-C 微电解法预处理高浓度印染废水的研究J.高校化学工程学报，2011（3）：489-494.7 张彦灼，李军，丁岩.好氧颗粒污泥对水中结晶紫的吸附机制J.四川大学学报（工程科学版），2015（4）：205-212.8 程德红，王佳齐，林杰，等.离子液体金属配合物吸附废水中活性蓝 19 染料J.化工学报，2015（S1）：242-246.9 蔡冬鸣，任南琪，李圭白.-MnO2吸附染料亚甲基蓝的动力学和机理J.哈尔滨工业大学学报，2008（2）：213-216.10 朱丽楠，马军，杨世东.高压脉冲电场中活性氧化铝滴滤床对印染废水脱色的效能J.现代化工，2006（7）：34-38.11 李冬黎，何湘宁.形变功率脉冲电源作用下印染废水处理研究J.浙江大学学报（工学版），2005（6）：887-890.12 NG C A,SUN D,BASHIR M J K,et al.Optimization of membrane bioreactors by the addition of powdered activated carbonJ.Bioresource Technology,2013,138:38-47.13 YENER J,KOPAC T,DOGU G,et al.Dynamic analysis of sorption of Methylene Blue dye on granular and powdered activated carbonJ.Chemical Engineering Journal,2008,144(3):400-406.14 XU J C,XIN P H,HAN Y B,et al.Magnetic response and adsorptive properties for methylene blue of CoFe2O4/CoxFey/activated carbon magnetic compositesJ.Journal of Alloys and Compounds,2014,617:622-626.Adsorption of Methylene Blue on Magnetic Peanut Shell Based Activated Carbon TIAN Long（Nanyang Normal University,Nanyang Henan 473061,China）Abstract:In order to explore the adsorption performance and mechanism of magnetic lignin based activated carbon for methylene blue,lignin based magnetic activated carbon was prepared by chemical coprecipitation method,and its adsorption performance for methylene blue was investigated.The results showed that,the adsorption process of methylene blue on the activated carbon conformed to Langmuir adsorption isotherm model,and the adsorption kinetics conformed to Elovich model.The adsorption of methylene blue on magnetic lignin based activated carbon was a single molecular layer endothermic process dominated by chemical adsorption.Key words:Lignin;Activated carbon;Magnetism;Adsorbent;Methylene blue