喬春蕾，殷 悅，徐高揚(yáng)，許玉星，劉長青

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

紡織、印染工業(yè)每年排放大量染料廢水[1]。染料本身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難生物降解，進(jìn)入水體后會(huì)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響[2-3]，因此，染料廢水需處理后才能排放。剛果紅(CR)是一種聯(lián)苯胺陰離子偶氮染料，分子式為C32H22N6Na2O6S2，目前用于去除或降解剛果紅的研究受到關(guān)注[4]。

吸附法因操作簡單、常用于處理染料廢水，但吸附劑的吸附效果和成本是制約該方法的瓶頸問題之一。赤泥(RM)是生產(chǎn)氧化鋁過程中的堿性廢渣，其中含有大量Fe2O3、Al2O3，且具有高比表面積，其對廢水處理有很好的效果，適于作為吸附劑載體進(jìn)行資源化利用。

氧化鋅(ZnO)成本低，化學(xué)穩(wěn)定性好，對環(huán)境無害，因有大量官能團(tuán)而常常被用作吸附劑[5-6]。氧化鋅的等電點(diǎn)(IEP)為9.3～9.8[7]，在中性pH下具有正電荷，對陰離子染料剛果紅有較好的吸附潛力。但ZnO納米粒子在水溶液中易于聚集[8]，不利于擴(kuò)散。利用多孔材料負(fù)載ZnO可以提高ZnO納米粒子的比表面積和聚集電阻[9]，還會(huì)增加多孔材料的吸附位點(diǎn)，提高吸附能力。為此，研究了在赤泥表面原位沉淀Zn2+，再經(jīng)過煅燒使生成ZnO，充分利用赤泥的堿性和高比表面積，擴(kuò)大ZnO與溶液的接觸面積，從而提高ZnO吸附能力，以期為印染廢水的處理及赤泥的資源化利用提供一種新思路。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

試劑：赤泥(RM)，粒度<100目，山東省濱州市魏橋電解鋁廠；Zn(Ac)2·2H2O、NaOH、HCl，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純；剛果紅，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器：分析天平，磁力攪拌器，電熱鼓風(fēng)干燥箱，pH計(jì)，便攜式分光光度計(jì)DR2800，恒溫振蕩器，馬弗爐，傅里葉變換紅外光譜儀，掃描電子顯微鏡，布魯克X射線能譜儀，X射線衍射儀。

1.2 RM-ZnO及ZnO的制備

RM-ZnO的制備：取2 g干燥赤泥，在250 mL純凈水中靜置12 h充分釋放堿性后，磁力攪拌同時(shí)分別將用5 mL純凈水溶解的0.2、0.4、0.8 g Zn(Ac)2·2H2O緩慢加入其中；同時(shí)，用5 mol/L的NaOH溶液調(diào)pH至10以上，室溫下攪拌1 h，之后靜置沉淀，過濾，洗滌，沉淀物于80 ℃下烘干，在馬弗爐中于400 ℃下焙燒2 h，分別得到RM-ZnO-1、RM-ZnO-2、RM-ZnO-3。

ZnO的制備：將0.1 mol的Zn(Ac)2·2H2O溶于50 mL純凈水中，再緩慢加入0.5 mol/L NaOH溶液中，磁力攪拌1 h，之后步驟同RM-ZnO制備。

1.3 材料表征

采用掃描電子顯微鏡(SEM，蔡司，Sigma 300)測定表面形貌，采用布魯克X射線能譜儀(EDS)進(jìn)行面掃描和光譜分析元素組成，采用X射線衍射儀(XRD，日本理學(xué)，Smartlab)測定物質(zhì)組成，采用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，PE，F(xiàn)rontier FT-MIR)測定官能團(tuán)種類和化學(xué)鍵。

1.4 吸附試驗(yàn)

首先配制剛果紅儲(chǔ)備液(1.0 g/L)，之后稀釋儲(chǔ)備液至不同濃度。吸附試驗(yàn)在玻璃試管中進(jìn)行。剛果紅溶液25 mL，加入一定質(zhì)量吸附劑，于180 r/min轉(zhuǎn)速下恒溫振蕩一定時(shí)間，之后在4 000 r/min速度下離心分離5 min。取上清液于λmax=497 nm處測定吸光度。用0.1 mol/L的HCl和NaOH溶液調(diào)剛果紅溶液pH。

為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行樣品。

1.5 數(shù)據(jù)處理

剛果紅吸附量計(jì)算公式為

(1)

剛果紅去除率計(jì)算公式為

(2)

式中：qe—平衡吸附量，mg/g；r—去除率，%；ρ0—初始剛果紅質(zhì)量濃度，mg/L；ρe—吸附平衡時(shí)剛果紅質(zhì)量濃度，mg/L；ρt—吸附t時(shí)間時(shí)剛果紅質(zhì)量濃度，mg/L；m—吸附劑質(zhì)量，g；V—?jiǎng)偣t溶液體積，L。

1.6 動(dòng)力學(xué)模型

為了解釋吸附機(jī)制，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合。模型分別見式(3)～(5)：

lg(qe-qt)=lgqe-k1t；

(3)

(4)

(5)

式中：qe—平衡吸附量，mg/g；qt—吸附t時(shí)間時(shí)的吸附量，mg/g；t—吸附時(shí)間，h；k1—準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù)，h-1；k2—準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，g/(mg·h)；ki—顆粒內(nèi)擴(kuò)散常數(shù)，mg/(g·h1/2)；I—與邊界層反應(yīng)相關(guān)的常數(shù)，mg/g。

1.7 等溫吸附模型

Langmuir、Freundlich等溫吸附模型分別見式(6)、(7)：

(6)

(7)

式中：qm—吸附劑最大吸附量，mg/g；kL—Langmuir平衡常數(shù)，L/mg；kF—Freundlich分布系數(shù)，mg1-1/n·L1/n·g-1；n—Freundlich常數(shù)。

Langmuir等溫吸附模型假設(shè)吸附劑表面是均勻的[10-12]，描述了吸附質(zhì)在吸附劑表面形成單層吸附，吸附位點(diǎn)間無相互作用，只要吸附位點(diǎn)沒有被完全占據(jù)，吸附質(zhì)濃度會(huì)影響吸附量[13]。Freundlich等溫吸附模型描述了非均質(zhì)表面的多層吸附，認(rèn)為非均質(zhì)表面的活性位點(diǎn)具有能量分布不均一現(xiàn)象，并伴有被吸附分子之間的相互作用[13-14]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 材料表征

2.1.1 形貌及元素組成分析

ZnO和RM-ZnO-2的SEM圖像及RM-ZnO-2部分區(qū)域EDS掃描元素映射圖像如圖1所示。

圖1 ZnO(a)和RM-ZnO-2(b、c)的SEM圖像及RM-ZnO-2的EDS元素圖像(d～h)

由圖1(a)、(b)看出，ZnO與RM-ZnO-2的形貌有很大不同：ZnO為很薄的片狀結(jié)構(gòu)，并有團(tuán)聚；而RM-ZnO-2的表面有一些不規(guī)則形狀凸起。由圖1(c)、(e)、(g)、(h)看出：這些凸起部分含有Al、Fe、Si元素，說明這部分是赤泥本身的形貌組成部分；凸起部分也有Zn元素，且與Al、Fe、Si元素有相同輪廓，說明ZnO分布在赤泥表面，并非自聚集。RM-ZnO-2表面看不到ZnO的片狀結(jié)構(gòu)，可能是因?yàn)槌嗄啾砻嫔纤?fù)載的ZnO納米顆粒較小，不易被觀察到，這也說明復(fù)合材料中赤泥會(huì)阻止ZnO團(tuán)聚。

2.1.2 晶體形態(tài)分析(XRD)

ZnO、RM、RM-ZnO-2的XRD結(jié)果如圖2所示。

圖2 RM-ZnO-2、RM和ZnO的XRD表征結(jié)果

由圖2看出：ZnO在2θ為31.76°、34.40°、36.26°、47.54°、56.56°、62.84°、67.94°附近出現(xiàn)ZnO特征峰；RM-ZnO-2圖譜上也有ZnO特征峰，說明ZnO被成功負(fù)載到RM表面；RM-ZnO-2圖譜中的ZnO特征峰比純ZnO的更寬，說明RM-ZnO-2中的ZnO粒徑更小[15]，這與SEM分析結(jié)果一致，且RM-ZnO-2中的部分ZnO特征峰未檢測出，說明RM-ZnO-2上的ZnO是無定型且高度分散的[16]。

2.1.3 官能團(tuán)及化學(xué)鍵分析

圖3 RM-ZnO-2吸附剛果紅前、后的FT-IR光譜

2.2 RM與ZnO配比對吸附的影響

試驗(yàn)條件：溶液中初始剛果紅質(zhì)量濃度50 mg/L，溶液體積25 mL，溶液pH為初始時(shí)的6.5，RM-ZnO-2投加量0.5 g/L，溫度25 ℃，攪拌速度180 r/min，吸附時(shí)間8 h。RM與ZnO配比對RM-ZnO吸附剛果紅的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同配比的RM-ZnO和純ZnO對剛果紅的吸附曲線

由圖4看出：相同條件下，RM-ZnO的吸附效果優(yōu)于純ZnO的吸附效果。這是因?yàn)镽M上的ZnO沒有聚集現(xiàn)象，吸附位點(diǎn)不會(huì)相互遮蓋，并且RM本身對剛果紅也有一定吸附能力[17]。圖4表明：RM-ZnO-1、RM-ZnO-3的吸附能力均弱于RM-ZnO-2的吸附能力，因?yàn)镽M-ZnO-1表面負(fù)載的ZnO數(shù)量較少，有效位點(diǎn)少；而RM-ZnO-3表面負(fù)載的ZnO的量過多，導(dǎo)致比表面積減小。后續(xù)試驗(yàn)中，均選用RM-ZnO-2作吸附劑。

2.3 溶液pH對吸附的影響

試驗(yàn)條件：溶液中初始剛果紅質(zhì)量濃度50 mg/L，溶液體積25 mL，RM-ZnO-2投加量0.5 g/L，溫度25 ℃，振蕩速度180 r/min，吸附時(shí)間8 h。溶液pH對RM-ZnO-2吸附剛果紅的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 溶液pH對RM-ZnO吸附剛果紅的影響

pH對RM-ZnO吸附剛果紅有很大影響，說明吸附過程中存在靜電作用；而在pH=12時(shí)依然能達(dá)50%的吸附能力，說明除靜電作用外還有其他吸附機(jī)制[18]。溶液初始pH=6.5時(shí)吸附效果良好，所以后續(xù)試驗(yàn)均在初始pH條件下進(jìn)行，溶液pH不必調(diào)整。

2.4 吸附動(dòng)力學(xué)分析

在溫度25 ℃、RM-ZnO-2投加量0.5 g/L條件下，溶液中剛果紅質(zhì)量濃度分別為50、100、200 mg/L，吸附時(shí)間對RM-ZnO-2吸附剛果紅的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖6(a)所示。圖6(b)～(d)分別為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型對該試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果，擬合相關(guān)參數(shù)見表1。

圖6 吸附時(shí)間對RM-ZnO-2吸附剛果紅的影響(a)及準(zhǔn)一級(jí)(b)、準(zhǔn)二級(jí)(c)、顆粒內(nèi)擴(kuò)散吸附模型(d)的擬合曲線

表1 準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)、顆粒內(nèi)擴(kuò)散吸附模型動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)

由圖6(a)看出：曲線整體趨于平滑且連續(xù)，說明剛果紅分子可能在RM-ZnO-2表面形成單層覆蓋[20]。最初的10 h內(nèi)，剛果紅濃度降低非?？?，這主要是RM-ZnO-2有大量吸附位點(diǎn)，且溶液中的剛果紅與RM-ZnO-2上的剛果紅濃度差較大，吸附驅(qū)動(dòng)力較大，使得反應(yīng)速率較快[21]；而隨吸附進(jìn)行，溶液中剛果紅濃度降低速度變慢，因?yàn)镽M-ZnO-2表面大量吸附位點(diǎn)被占據(jù)，而溶液中剛果紅濃度降低，RM-ZnO-2表面的剛果紅濃度卻增大，吸附驅(qū)動(dòng)力減小，甚至液相和固相上的剛果紅分子產(chǎn)生排斥，使得吸附速率逐漸變??；也因?yàn)榕懦饬Φ拇嬖?，?dǎo)致RM-ZnO-2表面的剩余空位無法被剛果紅完全占據(jù)，從而剛果紅分子不會(huì)被完全吸附[14]。另外，圖6(a)中，剛果紅濃度較低時(shí)，達(dá)到平衡所需時(shí)間短，剛果紅去除率高，而剛果紅濃度較高時(shí)，達(dá)到平衡所需時(shí)間較長，剛果紅去除率低。這是因?yàn)楦邼舛热芤褐袆偣t分子多，分子間競爭力較大[22]，而低濃度溶液中剛果紅分子間競爭力較小，更有利于吸附。

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)更匹配，且相關(guān)系數(shù)更接近1，說明吸附過程更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，吸附過程受化學(xué)反應(yīng)控制，吸附機(jī)制涉及電子共享或電子轉(zhuǎn)移[8]。圖6(d)中線性部分有兩段，說明不止一種動(dòng)力學(xué)機(jī)制參與剛果紅吸附過程：第一段線性斜率較大，受物理吸附和化學(xué)吸附所控制，為表面吸附；第二段線性斜率較小，受顆粒內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)和化學(xué)吸附所控制。

2.5 等溫吸附模型擬合

分別在25、35、45 ℃下對不同濃度剛果紅溶液吸附至平衡，RM-ZnO-2投加量0.5 g/L，分別對不同溫度下的吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行等溫吸附模型擬合，擬合曲線如圖7所示，擬合參數(shù)見表2。

圖7 等溫吸附擬合曲線

表2 Langmuir和Freundlich等溫吸附擬合參數(shù)

由圖7看出：RM-ZnO-2對剛果紅的吸附量隨溫度升高而增大。這可能有以下原因：隨溫度升高，溶液黏度降低，剛果紅分子擴(kuò)散速率提高，更多的剛果紅分子獲得能量與RM-ZnO-2表面活性位點(diǎn)相接觸[23-24]；溫度升高會(huì)增加結(jié)合位點(diǎn)數(shù)，可以吸附更多剛果紅分子[23]；升溫可能會(huì)使RM-ZnO-2內(nèi)部產(chǎn)生膨脹效應(yīng)，有利于大的剛果紅分子更好地滲透到顆粒內(nèi)部。一般來說，放熱過程意味著存在物理反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)，而吸熱過程則歸因于化學(xué)反應(yīng)[25]。RM-ZnO-2對剛果紅的吸附過程中吸熱，說明吸附過程中存在化學(xué)吸附反應(yīng)。

由表2看出，不同溫度下，Langmuir模型的相關(guān)系數(shù)均大于Freundlich模型的相關(guān)系數(shù)。由此得出，RM-ZnO-2對剛果紅的吸附過程更符合Langmuir等溫吸附模型，說明吸附過程為均勻單層吸附，吸附位點(diǎn)之間沒有相互作用。這與前面的結(jié)論一致。

2.6 吸附機(jī)制分析

吸附過程受溶液pH影響，可以推測，吸附過程中存在靜電相互作用，可能是剛果紅上去質(zhì)子化的磺酸基和RM-ZnO上質(zhì)子化后的氧原子產(chǎn)生了靜電吸引，也就是存在物理吸附；而由FT-IR分析結(jié)果可知，RM-ZnO上的鋅原子可能與剛果紅上的磺酸基團(tuán)發(fā)生配位效應(yīng)，即存在化學(xué)吸附；動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對該吸附過程擬合的更好，說明吸附過程以化學(xué)吸附為主、物理吸附為輔。除此之外，可能還存在微弱的氫鍵作用，如偶極—偶極氫鍵和吉田氫鍵[18]，如圖8所示，其中，M指吸附劑中的金屬原子。

圖8 吸附機(jī)制示意

3 結(jié)論

常溫、中性條件下，RM-ZnO對溶液中的剛果紅有較好的吸附去除效果，平衡吸附量為305.17 mg/g，吸附效果優(yōu)于純ZnO的吸附效果；且堿性赤泥是一種工業(yè)廢棄物，價(jià)廉易得，用其制備吸附劑可以實(shí)現(xiàn)以廢治廢并很好地用于染料廢水的處理。

RM-ZnO對剛果紅的吸附過程涉及2個(gè)階段：第1階段為邊界層擴(kuò)散階段，因?yàn)镽M-ZnO表面有大量吸附位點(diǎn)，對剛果紅分子吸附速度較快，此階段主要為物理吸附協(xié)同化學(xué)吸附；第2階段為顆粒內(nèi)擴(kuò)散階段，剛果紅分子進(jìn)入RM-ZnO顆粒內(nèi)部，此時(shí)吸附過程緩慢且吸附速率受顆粒內(nèi)擴(kuò)散和化學(xué)作用控制。總體上，吸附反應(yīng)以化學(xué)吸附為主、物理吸附為輔；剛果紅上的磺酸基和RM-ZnO上的鋅原子發(fā)生配位，剛果紅上去質(zhì)子化的磺酸基和RM-ZnO上質(zhì)子化后的氧原子產(chǎn)生靜電引力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸附。