魯 敏，呂 璇，李房玉，徐小惠，于聰穎，姚林利

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林吉林132012)

粉煤灰是火力發(fā)電廠燃煤粉鍋爐排出的固體廢棄物，其主要由硅鋁玻璃、微晶礦物顆粒和未燃盡的殘?zhí)课⒘ＫM成，化學(xué)成分以氧化硅和氧化鋁為主［1－2］。粉煤灰的露天堆放，不僅占用了大量土地，而且刮風(fēng)天灰塵將污染空氣，下雨天滲水將污染地下水。根據(jù)國內(nèi)外試驗研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰滲水使地下水產(chǎn)生不同程度的污染，比較明顯的是使pH值升高、有毒有害的鉻、砷等元素增加。再加上粉煤灰貯灰場大多位于江、河、湖及城市水源保護區(qū)域，水源保護問題也十分迫切［3－4］。沸石是一種多孔結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽，具有良好的離子交換和吸附性能，被廣泛的應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、石油化工和環(huán)境保護等領(lǐng)域，用粉煤灰合成沸石可為粉煤灰的處置和利用提供一條新的途徑。研究者們通過水熱法和堿融法等合成了多種沸石，并用于多種飲用水中氟離子和廢水中重金屬離子的吸附研究中;而利用粉煤灰合成的沸石處理染料廢水的研究報道卻很少且集中于沸石的吸附性能研究［5－8］。因此，本研究以粉煤灰水熱合成法制備沸石作為吸附材料，通過其對亞甲基藍(methylene blue，簡寫為MB)吸附熱力學(xué)和動力學(xué)的研究，建立適宜的吸附模型，從而明確沸石對亞甲基藍的吸附機理，以期為沸石在水處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

亞甲基藍，H2SO4，NaOH;FA2004A電子天平，上海精天電子儀器有限公司;721型可見分光光度計，上海欣茂儀器有限公司;XMTD－8222鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司;UV－2550紫外－可見分光光度計，日本島津公司;往復(fù)式水浴恒溫振蕩器，江蘇正基儀器有限公司。

1.2 沸石的制備方法

準確稱取9g粉煤灰置于錐形瓶中，并加入90 mLNaOH溶液，放入80℃的往復(fù)式水浴恒溫振蕩器中振蕩3 h后，過濾混合液;稱取12 g NaAlO2溶于NaOH溶液且攪拌至全溶，加入過濾所得的濾液，快速攪拌30 min，于100℃高壓反應(yīng)釜中反應(yīng)4 h后，經(jīng)冷卻、水沖洗至pH8－9、烘干后，所制得成品即為沸石。

1.3 沸石吸附亞甲基藍的實驗研究

準確移取一定質(zhì)量濃度的亞甲基藍溶液于50 mL比色管中，加入一定量的沸石吸附劑，經(jīng)往復(fù)式水浴恒溫振蕩器振蕩一定時間后，取上清液測定其吸光度值(λ=590 nm)，去除率A(%)和吸附容量Q(mg/g)的計算如(式1)和(式2)所示。

其中，C0為吸附前亞甲基藍的質(zhì)量濃度(mg/L);Ct為吸附t時刻溶液中亞甲基藍的質(zhì)量濃度(mg/L);V為溶液體積(L);m為加入吸附劑的質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始pH值對亞甲基藍吸附效果的影響

沸石吸附劑加入量為0.2 g/L、亞甲基藍質(zhì)量濃度為100 mg/L、室溫下振蕩2 h條件下，考察不同初始pH值對亞甲基藍吸附效果的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 pH值對亞甲基藍吸附效果的影響

由圖1可知，pH是影響吸附效果的主要因素之一。pH為5－6時吸附效果較好，這是因為溶液初始pH值的不同，將影響沸石表面的質(zhì)子化程度。pH較低時，體系中H+含量增多，從而使得沸石的質(zhì)子化程度增強，即增大與帶負電荷亞甲基藍的靜電吸引力，相應(yīng)的去除率增大;但體系過低的pH值，將會溶解部分沸石，而使去除率降低。當(dāng)體系pH較高時，體系中OH－含量增加，將導(dǎo)致沸石表面帶負電荷，與溶液中帶負電的亞甲基藍形成靜電斥力。

2.2 不同反應(yīng)時間對亞甲基藍吸附效果的影響

沸石吸附劑加入量為0.2 g/L、初始pH值為6、亞甲基藍質(zhì)量濃度為100 mg/L、室溫下振蕩一定時間，考察不同反應(yīng)時間對亞甲基藍吸附效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在吸附20 min時，沸石對亞甲基藍的去除率可達43%;但隨著時間的增長，沸石對亞甲基藍的吸附曲線逐漸趨于平緩，即沸石的吸附量逐漸達到飽和，溶液中的亞甲基藍和吸附劑中的亞甲基藍達到吸附和脫附平衡。

圖2 吸附時間對亞甲基藍吸附效果的影響

將實驗數(shù)據(jù)進行吸附一級動力學(xué)和二級動力學(xué)模擬［9］，結(jié)果如表1所示。從表1可知，二級動力學(xué)方程可以很好地來描述沸石對亞甲基藍的吸附，吸附速率常數(shù) k2為0.013 g·mg－1·min－1，R2為0.956 3。說明吸附動力學(xué)主要是受化學(xué)作用控制，而不是受物質(zhì)傳輸步驟所控制。

表1 沸石對亞甲基藍的吸附動力學(xué)擬合參數(shù)

2.3 亞甲基藍不同初始濃度對吸附效果的影響

沸石吸附劑加入量為0.2 g/L、初始pH值為6、室溫下振蕩90 min，考察亞甲基藍不同初始質(zhì)量濃度對亞甲基藍吸附效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著初始濃度的增加，沸石對亞甲基藍的吸附率也隨之增加。開始階段隨著溶液中亞甲基藍的濃度增加，吸附量快速增大;隨后變得平緩起來，說明吸附已接近飽和。這一變化趨勢表明沸石對亞甲基藍有較強的作用力，即使在濃度較低時也有較強的吸附，可以用少量的吸附劑達到較好的去除率，進而更有利于該吸附劑的充分利用。

將實驗數(shù)據(jù)分別采用Langmuir和Frundlich方程式［10］進行吸附等溫式擬合，結(jié)果如表2所示。由表2可知，Langmuir方程能較好地描述沸石對亞甲基藍的吸附過程，說明吸附過程屬于單分子層吸附。Langmuir方程可被表示成無因次分離速率常數(shù)或者平衡參數(shù)，RL用來表明吸附體系“可行”或者“不可行”。分離常數(shù)RL=1/(1+bc0)，其中c0為金屬離子的初始濃度(mg/L)，b是Langmuir吸附平衡常數(shù)(mL/mg)。因為b≥0，0＜RL＜1，這表明沸石吸附亞甲基藍是可行的。

圖3 MB初始濃度對吸附效果的影響

表2 沸石對亞甲基藍的等溫吸附模型擬合參數(shù)

3 結(jié) 論

(1)以粉煤灰為原材料，采用水熱合成法制備的沸石對亞甲基藍具有較好的吸附效果。pH值是影響吸附效果的一個重要參數(shù)，在pH=5－6時吸附效果較好。沸石對亞甲基藍的吸附過程在90 min達到吸附平衡。

(2)沸石對亞甲基藍的吸附過程符合二級反應(yīng)動力學(xué)和Langmuir吸附等溫方程，說明該吸附過程是以化學(xué)吸附為主且典型的單分子層吸附。

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