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        改性稻殼對水中亞甲基藍(lán)的吸附性能研究*

        2021-10-14 07:52:42閆改萌石丹丹王天貴
        化學(xué)工程師 2021年9期
        關(guān)鍵詞:改性模型

        閆改萌,石丹丹,張 渺,黨 丹,王天貴

        (河南工業(yè)大學(xué)化學(xué) 化工學(xué)院,河南 鄭州450001)

        吸附是一種具有廣泛工業(yè)用途的分離技術(shù)[1]。吸附法作為一種簡單且對環(huán)境影響小的水處理方法,在處理染料廢水方面引起了廣泛重視[2],其中將農(nóng)業(yè)廢棄物改性作為吸附劑深受科研工作者的喜愛,如改性花生殼[3]、水葫蘆根粉[4]、大豆廢料[5]等。武云等人[6]研究過稻殼經(jīng)H2O2改性前后對亞甲基藍(lán)的吸附性能,但變化不明顯。稻殼作為產(chǎn)量巨大的農(nóng)業(yè)廢棄物,對其進(jìn)行“以廢治廢”的高值化利用意義重大,制作優(yōu)良吸附劑是一種不錯的選擇。

        本文通過KMnO4改性稻殼,并將其應(yīng)用于處理亞甲基藍(lán)水溶液,探究了KMnO4改性吸附劑投加量、吸附時間、pH值、溫度等因素對吸附性能的影響。

        1 實驗部分

        1.1 材料與儀器

        稻殼來自河南工業(yè)大學(xué)糧油與食品學(xué)院;亞甲基藍(lán)(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司);KMnO4(洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司);H2SO4(洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司);NaOH(天津市天力化學(xué)試劑有限公司)等試劑均為分析純。

        UV 6000型紫外可見分光光度計(上海元析儀器有限公司)用于測吸光度;Micromeritics ASAP 2020 Plus型氣體吸附分析儀(上海麥克默瑞提克儀器有限公司);FEI Quanta FEG 250掃描電子顯微鏡(浙江納德科學(xué)儀器有限公司);PerkinElmer Spectrum IR紅外光譜儀(上海珀金埃爾默企業(yè)管理有限公司)用于吸附劑表面性能表征。

        1.2 吸附劑制備

        用蒸餾水將篩分出的30~40目稻殼洗滌至濾液澄清,80℃烘干,即得未改性稻殼。將1g稻殼浸泡在100mL 0.02mol·L-1KMnO4溶液中,用磁力攪拌器攪拌24h,蒸餾水洗滌至濾液澄清,80℃烘干即為KMnO4改性稻殼(簡稱K-稻殼)。

        1.3 實驗方法

        標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制 配制濃度分別為0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5mg·L-1的亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液,在665nm波長處測定吸光度。以Abs為縱坐標(biāo),亞甲基藍(lán)濃度為橫坐標(biāo),做標(biāo)準(zhǔn)曲線,線性回歸方程為:y=0.2183x-0.0052,R2=0.9994。

        吸附過程 將一定量的吸附劑置于150mL錐形瓶中,同時加入50mL一定濃度的亞甲基藍(lán)溶液,將錐形瓶固定在恒溫震蕩箱中,以200r·min-1的轉(zhuǎn)速吸附一定時間。將上清液以8000r·min-1轉(zhuǎn)速離心3min后,測離心液的吸光度。

        吸附量的計算公式:

        吸附率的計算公式:

        式中q:吸附量,mg·g-1;C0和C:吸附前后亞甲基藍(lán)的濃度,mg·L-1;V:溶液的體積,L;m:投加吸附劑的質(zhì)量,g;E:亞甲基藍(lán)的去除率,%。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 吸附劑的表征

        圖1 為改性前后稻殼的掃描電鏡圖片。

        圖1 改性前后稻殼的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.1 SEM images of rice husk before and after modification

        由圖1可知,改性前稻殼的表面結(jié)構(gòu)比較平整光滑,而KMnO4溶液對稻殼表面造成氧化腐蝕,出現(xiàn)較多裂紋和孔洞[7],暴露出更多參與吸附的官能團(tuán)[8]。同時,具有強(qiáng)氧化性的KMnO4能與稻殼表面的部分還原性有機(jī)官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng),生成含氧官能團(tuán),如稻殼表面附著一些MnO2顆粒負(fù)載物,增加其吸附能力[9]。

        表1 為改性前后稻殼的比表面積數(shù)據(jù)。

        表1 改性前后稻殼的比表面積參數(shù)Tab.1 Specific surface area parameters of rice husk before and after modification

        由表1可見,K-稻殼的比表面積和總孔容均顯著大于未改性稻殼,與掃描電鏡結(jié)果一致。

        圖2 為改性前后稻殼的紅外光譜圖。

        圖2 稻殼改性前后紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of rice husk before and after modification

        由圖2可知,在3430cm-1處是一個由-OH引起的伸縮振動吸收峰,經(jīng)改性后明顯變寬,且強(qiáng)度發(fā)生變化;在2916cm-1處是脂肪族C-H的伸縮振動峰[10];1633和1350cm-1附近是木質(zhì)素和纖維素的特征峰,分別是C=O及CH-的振動;在1083和470cm-1附近,主要是C-O和Si-O鍵的振動[11]。

        2.2 改性前后稻殼的吸附性能比較

        分別將不同質(zhì)量的K-稻殼和未改性稻殼置于80mg·L-1亞甲基藍(lán)溶液,調(diào)節(jié)pH值為6,吸附溫度為25℃,吸附4h,結(jié)果見圖3。

        由圖3可以看出,在實驗范圍內(nèi)原始稻殼的吸附率幾乎與用量成直線關(guān)系,而K-稻殼在2g·L-1之后變化很小,4g·L-1之后幾乎不變,在相同的吸附劑用量下,K-稻殼的吸附率遠(yuǎn)高于未改性稻殼。

        圖3 吸附劑投加量對吸附率的影響Fig.3 Influence of adsorbent dosage on adsorption effect

        2.3 吸附時間對吸附量的影響

        分別將質(zhì)量為4.0g·L-1K-稻殼和未改性稻殼置于80mg·L-1亞甲基藍(lán)溶液中,pH值為6,吸附溫度25℃,吸附不同時間,結(jié)果見圖4。

        圖4 接觸時間對吸附量的影響Fig.4 Influence of contact time on adsorption effect

        由圖4可以看出,1h內(nèi),吸附傳質(zhì)動力較大,吸附量隨時間近乎直線增加。之后,吸附量增加趨緩,漸漸達(dá)到吸附平衡。相比之下,未改性稻殼達(dá)到吸附平衡所需時間遠(yuǎn)高于K-稻殼,且在相同吸附時間內(nèi),其吸附率明顯低于K-稻殼。

        2.4 溶液pH值對吸附率的影響

        分別將亞甲基藍(lán)溶液pH值調(diào)節(jié)為2~10,吸附劑用量4.0g·L-1,亞甲基藍(lán)溶液初始濃度80mg·L-1,吸附溫度25℃,吸附5h,結(jié)果見圖5。

        由圖5可知,pH值對K-稻殼的影響較小,當(dāng)pH值大于4時,亞甲基藍(lán)溶液的吸附率維持在97%左右。這是因為在pH值較小時,亞甲基藍(lán)溶液中的H+濃度很高,稻殼表面被高度質(zhì)子化,稻殼中纖維素、半纖維素及木質(zhì)素的有效基團(tuán)被H+包圍,從而減弱了對亞甲基藍(lán)染料的吸附,導(dǎo)致吸附率較低;pH值較大時,亞甲基藍(lán)溶液中的H+濃度減小,稻殼表面質(zhì)子化程度降低,稻殼中纖維素、半纖維素及木質(zhì)素的有效基團(tuán)更多地暴露在外,更好地吸附亞甲基藍(lán)分子。

        圖5 溶液pH值對吸附效果的影響Fig.5 Influence of pH value of solution on adsorption effect

        2.5 吸附動力學(xué)

        將圖4實驗數(shù)據(jù)分別采用準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級動力學(xué)模型對K-稻殼進(jìn)行吸附動力學(xué)模擬。

        準(zhǔn)一級動力學(xué)模型:

        準(zhǔn)二級動力學(xué)模型:

        式中qt:吸附量,mg·g-1;t:吸附時間,min;qe:平衡吸附量,mg·g-1;K1:一級動力學(xué)速率常數(shù),min-1;K2:二級動力學(xué)速率常數(shù),g·(mg·min)-1。

        圖6 為K-稻殼準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級動力學(xué)擬合曲線。

        圖6 K-稻殼準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級動力學(xué)擬合曲線Fig.6 K-rice husk quasi-first-order and quasi-second-order kinetic fitting curves

        由圖6和表2可以看出,準(zhǔn)二級動力學(xué)模型可以更好地描述K-稻殼對亞甲基藍(lán)溶液的吸附過程,吸附以化學(xué)吸附為主。

        表2 K-稻殼吸附動力學(xué)模型擬合參數(shù)Tab.2 Fit parameters of K-rice husk adsorption kinetic model

        2.6 吸附等溫線

        對吸附等溫線的研究,能更清楚了解染料分子在吸附體系處于平衡態(tài)時在液相和吸附劑表面之間的分布[12]。為了解K-稻殼對亞甲基藍(lán)的吸附情況,繪制了在25、35、45℃下的吸附等溫線,同時采用Langmuir等溫線模型和Freundlich等溫線模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

        Langmuir等溫線方程:

        Freundlich等溫線方程:

        式中qe:平衡時的吸附量,mg·g-1;qm:最大吸附量,mg·g-1;Ce:達(dá)到吸附平衡時亞甲基藍(lán)溶液的濃度,mg·L-1;kL:Langmuir吸附平衡常數(shù),L·mg-1;kF:Freundlich吸附平衡常數(shù),L·mg-1;n:與溫度有關(guān)的特征常數(shù)。kF和n可由擬合直線的截距和斜率確定。

        圖7 為K-稻殼吸附等溫線圖。

        圖7 K-稻殼吸附等溫線圖Fig.7 K-rice bran adsorption isotherm diagram

        表3 為兩種稻殼的吸附等溫線方程擬合參數(shù)表。

        表3 兩種稻殼的吸附等溫線方程擬合參數(shù)Tab.3 Fit parameters of adsorption isotherm equation for two kinds of rice husk

        由圖7和表3可以看出,Langmuir模型的R2均大于0.99,而Freundlich模型的R2均小于0.85。KMnO4改性稻殼的吸附更符合Langmuir等溫線,其吸附過程為單分子層吸附。

        3 結(jié)論

        經(jīng)KMnO4改性后的稻殼,比表面積明顯增大,對亞甲基藍(lán)的吸附效果明顯提高,且在比較寬的溶液pH值范圍內(nèi)吸附性能穩(wěn)定,最大吸附量可以達(dá)到50mg·g-1以上,可以用Langmuir等溫線模型和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型很好地擬合吸附過程。

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