馮建波

湖北輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430070

0 引 言

染料是與人類的衣食住行密切相關(guān)的一種重要精細(xì)化工產(chǎn)品, 隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展, 廣泛使用染料導(dǎo)致含染料廢水大量排放到水體中而造成污染, 少量染料廢水排放也導(dǎo)致大片水體著色, 既影響了水體的美觀又減少透光量,從而減少水生物的光合作用[1].印染廢水已成為水體、土壤的主要污染源，為最難治理的工業(yè)廢水[2].水體中染料的脫除方法有絮凝, 氧化或臭氧化等, 但這些技術(shù)有效率低, 成本高等不足,所以難以普遍使用.因此,研究者研究采用廉價(jià)易得、可重復(fù)使用的材料用于處理染料廢水, 一些低值材料特別天然高分子材料作為吸附劑處理印染廢水的研究日益熱門[3].

纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多醣，是組成植物細(xì)胞壁的主要成分.基于天然纖維素的水處理用吸附劑已經(jīng)廣泛用于吸附水中的重金屬離子、有機(jī)污染物及染料等[4].活性碳是黑色粉末狀或顆粒狀的無定形碳.活性炭主成分除了碳以外還有氧、氫等元素.活性炭在結(jié)構(gòu)上碳是不規(guī)則排列，交叉連接之間有細(xì)孔，在活化時(shí)將產(chǎn)生碳組織缺陷，因此為一種多孔碳，堆積密度低，比表面積大，可廣泛用于染料的吸附及脫除工作[5].

磁性納米材料是指材料尺寸在納米級(jí)，通常在1～100 nm的準(zhǔn)零維超細(xì)微粉，一維超薄膜或二維超細(xì)纖維(絲)或由它們組成的固態(tài)或液態(tài)材料.磁性納米材料由于比表面大的特點(diǎn)，對(duì)染料具有較好的吸附作用，可以在較寬酸度范圍吸附大量的染料，并且吸附效率高，吸附時(shí)間短，材料可以重復(fù)使用，對(duì)于處理環(huán)境污水中的染料具有一定的應(yīng)用價(jià)值[6]，其中尤其以Fe3O4, γ-Fe2O3因?yàn)橹苽浜?jiǎn)易，應(yīng)用最為廣泛[7].

剛果紅是一種聯(lián)苯胺類偶氮染料，其流失率高所以易進(jìn)入水體，是代表性印染污染物之一[8-10].其脫除的方法以吸附劑吸附應(yīng)用和研究最為廣泛[11].

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種包埋了磁性納米粒子和活性炭的纖維素基吸附劑，以便提高其對(duì)染料的吸附能力，并提高其操作使得性，并以剛果紅為染料污染物，研究了其吸附性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

纖維素由湖北化纖集團(tuán)有限公司(湖北，襄樊)提供，剛果紅又名棉紅、直接大紅等，購(gòu)自北京化工廠，分析純，分子式C32H22N6Na2O6S2，為雙偶氮酸性染料.γ-Fe2O3購(gòu)自阿拉丁公司，貨號(hào)：F105413,500 g；其它試劑均為分析純.

1.2 儀器

pHS-3B 型精密pH計(jì)( 上海精密科學(xué)儀器)；超聲分散器(上海五相儀器儀表有限公司)；UV-1800PC紫外可見分光光度計(jì)(中國(guó)，上海).

1.3 微球制備方法

將200 g NaOH/尿素(7.0/12.0, 質(zhì)量比)水溶液在冰箱中冷卻到-12.7 ℃后，立即加入6.0 g纖維素在8 000 r/min的轉(zhuǎn)速下快速攪拌2 min使其溶解.3.5 g γ-Fe2O3和0.5 g活性炭粉末加入到纖維素溶液中，快速攪拌30 min使其充分分散.混合溶液在室溫下真空脫泡.所得混合溶液用注射器恒速滴加到氯化鈉凝固浴中.微球在凝固浴中固化24 h，然后用去離子水洗滌直至無氯離子，使用前在水中保藏.

1.4 方法

剛果紅濃度采用分光光度法測(cè)定[12].在波長(zhǎng)499 nm處測(cè)定其吸光度，按照擬合方程計(jì)算溶液中剛果紅質(zhì)量濃度，微球?qū)θ芤褐袆偣t的脫除率和吸附量用下式計(jì)算[3]:

脫除率%=(C0-Ce)/C0×100%

(1)

平衡吸附量=(C0-Ce)V/m

(2)

式(1)和( 2) 中，Co：剛果紅初始質(zhì)量濃度，g/L;Ce：剛果紅吸附平衡質(zhì)量濃度，g/L;V：剛果紅溶液體積，L;m ：微球吸附劑質(zhì)量，g.

1.4.1 微球用量對(duì)剛果紅脫除效果的影響 分別加入濕微球吸附劑15、20、25、30 和35 g到盛有100 mL 質(zhì)量濃度8 mg/L剛果紅溶液的250 mL 錐形瓶中.室溫下振蕩吸附20 min，測(cè)定上層清液中剛果紅濃度并計(jì)算脫除率.

1.4.2 吸附劑吸附時(shí)間對(duì)剛果紅脫除率的影響 取微球吸附劑6份，每份25 g，分別加入盛有100 mL 質(zhì)量濃度8 mg/L 剛果紅溶液的250 mL 錐形瓶中，在搖床中室溫下各振蕩吸附5、10、15、20、25 min和30 min，測(cè)定上層清液中剛果紅濃度，并計(jì)算剛果紅的脫除率.

1.4.3 剛果紅溶液pH值對(duì)剛果紅脫除效果的影響 調(diào)節(jié)剛果紅溶液的pH 值分別約為6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5，均加入25 g微球吸附劑到盛有100 mL 上述剛果紅溶液的250 mL錐形瓶中，室溫下吸附20 min，測(cè)定上層清液中剛果紅濃度，并計(jì)算脫除率.

1.4.4 溫度對(duì)于剛果紅脫除效果的影響 取25 g 微球吸附劑5份，加入到盛有100 mL 質(zhì)量濃度為8 mg/L剛果紅溶液的5 個(gè)250 mL錐形瓶中，分別在25、35、45、55 ℃和65 ℃溫度下吸附20 min，測(cè)定上清液中殘留剛果紅質(zhì)量濃度，并計(jì)算脫除率.

1.4.5 剛果紅溶液初始深度對(duì)剛果紅脫除效果的影響 取微球吸附劑4份分別 投入到不同質(zhì)量濃度( 5、8、15、20 mg/L) pH=7. 50的100 mL剛果紅溶液的錐形瓶中，室溫下振蕩吸附20 min，測(cè)定上清液中剛果紅濃度，并計(jì)算脫除率.

1.4.6 吸附劑對(duì)剛果紅的吸附等溫線 分別加入25 g微球吸附劑到100 mL 質(zhì)量濃度為5、10、15、20、25 mg/L剛果紅溶液的250 mL錐形瓶中，室溫下振蕩20 min， 測(cè)定上層清液中剛果紅濃度，計(jì)算平衡溶液濃度及吸附量并以此數(shù)據(jù)作吸附等溫曲線.

Langmuir 等溫吸附方程為:

(3)

式中，Ce：剛果紅的平衡質(zhì)量濃度，g/L;qe：平衡吸附量，mg/g ;KL：Langmuir 吸附常數(shù)，L/g;q∞：?jiǎn)螌语柡臀搅?，mg/g-.

Freundlich 等溫吸附方程為:

(4)

式(4) 中，KF：Freundlich 吸附常數(shù)，L/g ;n：常數(shù).試驗(yàn)均重復(fù)3次.

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附劑用量對(duì)剛果紅脫除率的影響

從圖1可知微球?qū)偣t的脫除率隨微球用量的增加而增大，25 g微球時(shí)剛果紅脫除率為95.6%.當(dāng)微球吸附劑用量多于25 g時(shí)，剛果紅脫除率基本沒有增加，這是由于吸附效果與微球和溶液之間的有效接觸密切相關(guān)，初始階段當(dāng)增加微球用量時(shí)，增加了微球和溶液的有效接觸，當(dāng)加入量達(dá)到一定時(shí)有效接觸的增加有限，脫除率保持不變.所以試驗(yàn)選定25 g為吸附劑用量.

圖1 微球用量對(duì)剛果紅脫除效果的影響

2.2 吸附時(shí)間對(duì)剛果紅脫除率的影響

由圖2可知初始階段隨時(shí)間的增加微球?qū)偣t的脫除率增加很快， 20 min 后不再有大的增加且達(dá)到吸附平衡，之后增加時(shí)間脫除率保持穩(wěn)定.故試驗(yàn)時(shí)間選定為20 min.

圖2 時(shí)間對(duì)剛果紅脫除效果的影響

2.3 剛果紅溶液pH值對(duì)剛果紅脫除率的影響

圖3可知吸附劑對(duì)剛果紅的脫除效果隨著溶液pH 值增大相應(yīng)增加，pH=7. 50 時(shí)，脫除率可達(dá)96.2%，隨著pH值的繼續(xù)增加脫除率基本不變.這是由于微球中含有羥基等官能團(tuán)，當(dāng)剛果紅溶液pH 值<7時(shí)，二者結(jié)合相對(duì)較難，隨著pH值繼續(xù)增大，微球?qū)θ玖系奈诫S之增加，在剛果紅溶液pH值= 7.50時(shí)，微球?qū)ζ湮接凶畲笪搅?

圖3 pH值對(duì)剛果紅脫除效果的影響

2.4 溫度對(duì)剛果紅脫除率的影響

從圖4可知，在25～40 ℃時(shí)，微球?qū)偣t的脫除率從90.3%增加到96.5%當(dāng)溫度從25 ℃升高40 ℃時(shí)，此溫度范圍內(nèi)微球?qū)偣t的吸附有比較好的效果.當(dāng)溫度高于40 ℃時(shí)，脫除效果大幅下降，這可能是因?yàn)闇囟壬邥?huì)使染料的解析速度遠(yuǎn)大于吸附速度而不利于微球?qū)θ玖蟿偣t的吸附.

圖4 溫度對(duì)剛果紅脫除效果的影響

2.5 剛果紅溶液初始深度對(duì)剛果紅脫除率的影響

由圖5可知?jiǎng)偣t溶液初始質(zhì)量濃度從5 mg/L增到15 mg/L時(shí)，脫除率逐步增大，脫除率可達(dá)96.4%，但剛果紅溶液濃度繼續(xù)增加時(shí)，脫除率變化不明顯，這是由于微球吸附量已經(jīng)達(dá)到飽和.

圖5 剛果紅初始濃度對(duì)剛果紅脫除效果的影響

2.6 微球?qū)偣t的吸附等溫線

對(duì)圖6中數(shù)據(jù)采用Langmuir 和Freundlich 等溫吸附方程進(jìn)行模擬，求出它們的等溫吸附模型參數(shù)，代入式(3)和式(4) 得到，Langmuir和Freundlich 等溫吸附方程的決定系數(shù)分別為0.997 5, 0.952 5，故2種模型都能近似模擬此染料的吸附平衡數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為制備的微球?qū)偣t的吸附是化學(xué)吸附和物理吸附的綜合作用[11].

圖6 微球?qū)偣t的吸附等溫線

3 結(jié) 語(yǔ)

包埋活性炭的磁性纖維素微球有較強(qiáng)的吸附脫除作用，吸附平衡時(shí)間約為20 min. pH為弱堿性時(shí)包埋活性炭的磁性纖維素微球吸附脫除剛果紅的較適宜，pH=7.50時(shí)，剛果紅脫除率達(dá)到了96.2%.包埋活性炭的磁性纖維素微球?qū)偣t的等溫吸附過程均比較符合Langmuir和Freundlich 模型，所以微球?qū)偣t的吸附是化學(xué)吸附和物理吸附的綜合作用的結(jié)果.包埋活性炭的磁性纖維素微球是一種吸附脫除剛果紅染料的理想功能材料，有望用于水相中染料的脫除.

致 謝

感謝湖北省教育廳以及湖北輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院的資助.

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