張偉光，張鑫庚，梁繼宏，邢 進(jìn)，邸 凱

（1.齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006；3.齊齊哈爾大學(xué)圖書館，黑龍江齊齊哈爾 161006）

印染廢水具有毒性大、色度高、難降解等特點(diǎn)［1］，如果不處理直接排入水體會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題［2］，如水生植物光合作用和生長被抑制、水的透光性和溶解氧含量降低、水生生態(tài)系統(tǒng)被破壞等［3］。生物質(zhì)主要有木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，在高溫厭氧條件下通過裂解生成活性炭［4］，活性炭是高度芳構(gòu)化的碳質(zhì)材料［5］?；钚蕴烤哂邪l(fā)達(dá)的孔徑結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、豐富的表面官能團(tuán)［6-7］，且理化性質(zhì)穩(wěn)定，吸附和抗氧化能力強(qiáng)［8］，可作為高效吸附劑處理印染廢水?；钚蕴课椒ň哂胁僮骱唵危?］、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)［10-11］。玉米在我國種植面積較大，其秸稈含碳量高、灰分少，因此可以玉米秸稈為原料制備活性炭。本實(shí)驗(yàn)制備改性玉米秸稈活性炭，并研究其對(duì)亞甲基藍(lán)模擬廢水的脫色性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：玉米秸稈（產(chǎn)自黑龍江齊齊哈爾），碳酸氫鉀、氫氧化鈉（天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司），亞甲基藍(lán)（遼寧省沈陽市化工廠）。

儀器：多段程序控溫管式電阻爐（鄭州科佳電爐有限公司），722 型分光光度計(jì)（上海精密儀器廠），ZD-2A 型自動(dòng)電位滴定儀（南京科環(huán)分析儀器有限公司），pHS-25 型酸度計(jì)（上海精密科學(xué)儀器有限公司），HH-100 加熱型恒溫混勻儀（杭州佑寧儀器有限公司），標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩（新鄉(xiāng)市高服篩分機(jī)械有限公司），F(xiàn)Z102 微型植物粉碎機(jī)（蘇州江東精密儀器有限公司），H1850高速離心機(jī)（湖南湘儀儀器有限公司）。

1.2 改性玉米秸稈活性炭的制備［10，12］

將玉米秸稈用清水洗干凈，切成小塊后干燥并粉碎，在管式電阻爐中500 ℃炭化3 h，過0.15 mm 篩后得到玉米秸稈活性炭。

將一定量活化劑碳酸氫鉀加入去離子水中，充分?jǐn)嚢枞芙夂?，在不同浸漬比下加入一定量玉米秸稈活性炭，攪拌均勻后于105 ℃干燥24 h，置于管式電阻爐，在N2保護(hù)下以5 ℃/min 升溫至500 ℃，保溫2 h 進(jìn)行炭化活化，冷卻后取出，粉碎至80～150 目儲(chǔ)存，備用。

1.3 模擬廢水的制備及pH 調(diào)節(jié)

準(zhǔn)確稱取0.2 g 亞甲基藍(lán)于1 L 容量瓶中，定容至刻度，搖勻即為模擬廢水，用燒杯取150 mL，用10%的氫氧化鈉溶液和0.1 mol/L 的鹽酸調(diào)節(jié)pH。

1.4 吸附脫色實(shí)驗(yàn)

向模擬廢水中加入一定量改性玉米秸稈活性炭，使用自動(dòng)電位滴定儀控制pH，采用加熱型恒溫混勻儀控制溫度并振蕩，離心分離后得到上清液，在染料最大吸收波長處測定吸光度，計(jì)算脫色率：

式中，A0、A分別為處理前后模擬廢水的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)

改性玉米秸稈活性炭的比表面積為887.6 m2/g，微孔比表面積為563.7 m2/g，總孔容為0.671 cm3/g，微孔孔容為0.396 cm3/g，平均孔徑為2.97 nm。

由圖1 可知，吸附前改性活性炭呈密集的孔狀結(jié)構(gòu)，孔的大小比較均勻，具有一定的吸附能力；吸附后改性活性炭的小孔吸附了廢水中的物質(zhì)，可以達(dá)到凈化廢水的目的。

圖1 改性活性炭吸附前后的掃描電鏡圖

2.2 脫色率的影響因素

2.2.1 活化劑與改性活性炭質(zhì)量比

由圖2 可知，活化劑與改性活性炭質(zhì)量比增大時(shí)，脫色率也逐漸增大，當(dāng)質(zhì)量比超過2.0 時(shí)，脫色率開始下降。原因是隨著活化劑與改性活性炭質(zhì)量比的不斷增大，改性活性炭顆粒內(nèi)部形成的微孔增多，當(dāng)質(zhì)量比增大到一定值時(shí)，過量的活化劑容易結(jié)塊，堵住了已形成的微孔［13-14］，導(dǎo)致脫色率降低。

圖2 活化劑與改性活性炭質(zhì)量比對(duì)脫色率的影響

2.2.2 改性活性炭用量

由圖3 可知，當(dāng)改性活性炭用量增加時(shí)，脫色率增大，當(dāng)用量超過0.65 g/L 后，脫色率呈緩慢下降趨勢。這是因?yàn)殡S著改性活性炭用量的增加，吸附能力快速增強(qiáng)，但改性活性炭用量較多時(shí)容易發(fā)生聚集，導(dǎo)致吸附能力下降。故改性活性炭用量選擇0.65 g/L。

圖3 改性活性炭用量對(duì)脫色率的影響

2.2.3 溫度

由圖4 可知，脫色率隨著溫度的升高開始增大，超過35 ℃后又逐漸降低。原因是溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)變得劇烈，使改性活性炭外表面的吸附速度加快；而溫度過高會(huì)導(dǎo)致亞甲基藍(lán)從改性活性炭中解析出來，脫色率下降。

圖4 溫度對(duì)脫色率的影響

2.2.4 pH

由圖5 可以看出，脫色率隨著pH 的增大而增大，當(dāng)pH 大于9 時(shí)，脫色率趨于穩(wěn)定。在堿性條件下，改性活性炭能吸附OH-，負(fù)電荷可以包圍改性活性炭顆粒，亞甲基藍(lán)在水中帶正電荷，因此增大了改性活性炭的吸附能力。

圖5 pH 對(duì)脫色率的影響

2.2.5 吸附時(shí)間

吸附時(shí)間對(duì)脫色率的影響見圖6。

圖6 吸附時(shí)間對(duì)脫色率的影響

由圖6 可知，吸附時(shí)間在90～150 min 時(shí)，隨著吸附時(shí)間的延長，脫色率增大較快；吸附時(shí)間超過180 min 后，脫色率曲線變化較平緩，基本達(dá)到吸附平衡狀態(tài)，脫色率不再增大。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)

由表1 可知，改性玉米秸稈活性炭對(duì)模擬廢水脫色率的影響因素從主到次依次為改性活性炭用量、活化劑與改性活性炭質(zhì)量比、吸附時(shí)間、溫度、pH；優(yōu)化脫色工藝為A3B3C2D3E3，即活化劑與改性活性炭質(zhì)量比2.0、改性活性炭用量0.65 g/L、溫度35 ℃、pH=9、吸附時(shí)間180 min。采用優(yōu)化工藝進(jìn)行3 次平行實(shí)驗(yàn)，脫色率分別為94.37%、94.58%、93.89%，平均脫色率為94.28%，與正交實(shí)驗(yàn)相符。

表1 L16（45）正交實(shí)驗(yàn)表

3 結(jié)論

改性玉米秸稈活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)模擬廢水脫色的優(yōu)化工藝為：活化劑與改性活性炭質(zhì)量比2.0、改性活性炭用量0.65 g/L、溫度35 ℃、pH=9、吸附時(shí)間180 min，平均脫色率為94.28%。