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        活性炭-高嶺土混合吸附劑對(duì)亞甲基藍(lán)吸附性能研究

        2021-03-09 06:45:52李維鑫曹向禹田俊陽(yáng)
        皮革與化工 2021年1期
        關(guān)鍵詞:高嶺土等溫線投加量

        李維鑫,曹向禹,田俊陽(yáng)

        (齊齊哈爾大學(xué)輕工與紡織學(xué)院,黑龍江齊齊哈爾161006)

        近年來,皮革廢水的年產(chǎn)量高達(dá)8000萬噸左右,約占我國(guó)工業(yè)廢水排放量的1.6%,已成為環(huán)境的主要污染源之一。皮革廢水具有COD高、有機(jī)含量高、色度高、成分復(fù)雜等特點(diǎn),對(duì)人和其他生物具有致畸、致癌、致突變的三致作用。目前,皮革廢水處理的方法主要有氧化法、降解法、混凝法、吸附法等,其中吸附法具有成本低、操作簡(jiǎn)便以及吸附效果顯著等優(yōu)點(diǎn),對(duì)皮革廢水的處理越來越受到重視[1]?;钚蕴颗c高嶺土有很大的比表面積,作為水體懸浮物、油類有機(jī)物和重金屬離子等的吸附骨架,對(duì)污染物的吸附起著重要作用。亞甲基藍(lán)作為一種廣泛應(yīng)用的陽(yáng)離子大分子染料,是染料廢水中常見的污染物之一,通過對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附研究可作為判定吸附劑吸附性能的重要指標(biāo)。

        本文以亞甲基藍(lán)為模擬污染物,采用活性炭與高嶺土混合吸附的方式處理廢液,研究其對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能,著重探討吸附過程的等溫線吸附與吸附動(dòng)力學(xué),進(jìn)一步研究其吸附行為。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 試劑及儀器

        活性炭、高嶺土、亞甲基藍(lán)(均為分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司);SJ-3F型pH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司);723型分光光度計(jì)(上海菁華科技儀器有限公司);SHA-2型冷凍水浴恒溫震蕩器(金壇市瑞華儀器有限公司);LD5-2A型臺(tái)式低速離心機(jī)(北京眾益中和生物技術(shù)有限公司);DF-Ⅱ型集熱式磁力加熱攪拌器(金壇市榮華儀器制造有限公司)。

        1.2 研究方法

        取一定量配比的活性炭與高嶺土,經(jīng)過粉碎、洗滌、烘干等預(yù)處理,加入到一定初始濃度的亞甲基藍(lán)廢液中,在一定溫度條件下進(jìn)行振蕩反應(yīng),吸附一定時(shí)間后取出離心,測(cè)上層清液的吸光度,計(jì)算亞甲基藍(lán)的去除率與平衡吸附量。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 吸附過程影響因素的研究

        2.1.1 混合吸附劑配比影響

        取初始濃度10mg/L的亞甲基藍(lán)溶液150mL,混合吸附劑投加量為0.2g,在20℃,pH值為6的條件下吸附60min,考察活性炭與高嶺土在不同質(zhì)量配比條件下的吸附性能,結(jié)果見圖1。

        由圖1可以看出,高嶺土與活性炭混合吸附劑吸附亞甲基藍(lán)過程中,當(dāng)活性炭質(zhì)量比例較高時(shí)體現(xiàn)出良好的吸附性能,當(dāng)活性炭與高嶺土質(zhì)量比為2∶1時(shí),去除率最高為92%;但高嶺土成分比例較高時(shí)卻不利于對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附,分析可能是高嶺土?xí)紦?jù)活性炭的空隙,阻礙亞甲基藍(lán)分子進(jìn)入活性炭的軌道,使其吸附性能降低[2]。

        2.1.2 吸附劑投加量的影響

        取初始濃度10mg/L的亞甲基藍(lán)溶液150mL,活性炭與高嶺土質(zhì)量比為2∶1,在20℃,pH值為6的條件下吸附60min,考察混合吸附劑在不同投加量條件下的吸附性能,結(jié)果見圖2。

        由圖2可以看出,當(dāng)混合吸附劑的投加量為0.1 g時(shí)去除率為92%,投加量為0.2g時(shí)去除率達(dá)94%,隨后變化不大;混合吸附劑的吸附量由13mg/g減小到2.7 mg/g。分析可能是當(dāng)亞甲基藍(lán)溶液濃度一定時(shí),增加吸附劑用量可以提供更多的吸附位點(diǎn),可以有更多的亞甲基藍(lán)吸附到吸附劑上,而亞甲基藍(lán)的濃度是一定的,雖然活性位點(diǎn)的數(shù)量變多了,但單位質(zhì)量的混合吸附劑利用率卻降低[3],所以混合吸附劑的最佳投放量為0.2g。

        2.1.3 溶液p H值的影響

        取初始濃度10mg/L的亞甲基藍(lán)溶液150mL,混合吸附劑投加量為0.2g且質(zhì)量比為2∶1,在20℃條件下吸附60min,考察在不同pH值條件下混合吸附劑的吸附性能,結(jié)果見圖3。

        圖1 混合吸附劑配比與去除率計(jì)算

        圖2 吸附劑用量對(duì)其吸附亞甲基藍(lán)的影響

        由圖3可以看出,隨著溶液pH值的增加,混合吸附劑的吸附量在12.5 mg/g~13.0mg/g之間變化不明顯,說明溶液pH值對(duì)混合吸附劑吸附亞甲基藍(lán)的影響不大。pH值對(duì)吸附的影響主要是通過改變吸附劑的表面電荷以及吸附質(zhì)的帶電狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。在中性條件下,亞甲基藍(lán)染料上的氮原子與活性炭和高嶺土的表面官能團(tuán),如—OH、—COOH等形成氫鍵產(chǎn)生吸附作用[4];當(dāng)改變?nèi)芤旱膒H值時(shí),吸附劑表面官能團(tuán)的綜合影響使其對(duì)帶正電荷的亞甲基藍(lán)陽(yáng)離子的吸附效果影響不大,最終隨pH變化吸附效果無明顯差異[5]。

        2.1.4 吸附時(shí)間的影響

        取初始濃度10mg/L的亞甲基藍(lán)溶液150mL,混合吸附劑投加量為0.2g且質(zhì)量比為2∶1,在20℃,pH為6的條件下,考察吸附時(shí)間對(duì)混合吸附劑吸附性能的影響,結(jié)果見圖4。

        由圖4可以看出,隨著吸附時(shí)間的進(jìn)行,混合吸附劑的吸附量先經(jīng)過快速增長(zhǎng),隨后緩慢增長(zhǎng),最終達(dá)到吸附平衡狀態(tài),當(dāng)吸附60min時(shí)去除率達(dá)94%左右。分析可能是在吸附初期,亞甲基藍(lán)的濃度很大,吸附劑表面的吸附位點(diǎn)很多,濃度梯度大,所以前期的吸附速度很快;隨著吸附的進(jìn)行,吸附位點(diǎn)逐漸被占據(jù),亞甲基藍(lán)的濃度逐漸降低,濃度梯度變小,直到最后吸附接近飽和,整個(gè)吸附體系達(dá)到平衡狀態(tài)[6]。所以綜合吸附效率與吸附量因素,最佳吸附時(shí)間為60min。

        2.2 吸附動(dòng)力學(xué)研究

        為研究吸附劑對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附動(dòng)力學(xué),采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。將計(jì)算得到的相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)匯總于表1。

        由表1可以看出,此吸附過程更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型[7],升高溫度使吸附速率常數(shù)由0.02升高到0.05,最大吸附量由9.27 mg/g升高到9.36mg/g,亞甲基藍(lán)的去除率由20℃的92%提升至35℃的95%,因此說,升高溫度吸附速率以及吸附量均增大,具有重要的應(yīng)用意義。

        2.3 吸附等溫線研究

        采用Freundlich等溫線模型和Langmuir等溫線模型在20℃和35℃條件下獲得的吸附平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,將計(jì)算得到的相關(guān)平衡參數(shù)匯總于表2。

        由表2可以看出,在混合吸附劑吸附亞甲基藍(lán)過程中,吸附過程更符合Freundlich模型。說明在吸附亞甲基藍(lán)的過程中既有單層吸附,又有表面不均勻吸附,存在著氫鍵、共價(jià)鍵結(jié)合等化學(xué)吸附過程[8];從20℃和35℃的1/n值可以看出,該混合吸附劑對(duì)亞甲基藍(lán)陽(yáng)離子結(jié)合染料具有很好的吸附性能[9]。

        圖3 pH值對(duì)吸附劑吸附亞甲基藍(lán)的影響

        圖4 吸附時(shí)間對(duì)吸附劑吸附亞甲基藍(lán)的影響

        表1 混合吸附劑吸附亞甲基藍(lán)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

        表2 混合吸附劑吸附亞甲基藍(lán)等溫線模型參數(shù)

        3 結(jié)論

        (1)混合吸附劑吸附亞甲基藍(lán)染液實(shí)驗(yàn)的最佳吸附條件:活性炭與高嶺土的復(fù)配比為2∶1,吸附劑投加量為0.2g/150mL,吸附時(shí)間為60min,溫度為35℃,此時(shí)亞甲基藍(lán)染液的去除率可達(dá)95%。pH值對(duì)此吸附過程的影響不大。

        (2)在混合吸附劑吸附亞甲基藍(lán)吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中,吸附動(dòng)力學(xué)更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,溫度升高有利于混合吸附劑吸附亞甲基藍(lán)。

        (3)在混合吸附劑吸附亞甲基藍(lán)吸附等溫線實(shí)驗(yàn)中,吸附更符合Freundlich等溫線模型,說明此吸附既有單層吸附也有多層吸附,此吸附為化學(xué)吸附。

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