殼聚糖質活性炭對亞甲基藍的吸附性能研究

宋娟，李曉暉，寧喜斌

(上海海洋大學 食品學院，上海 201306)

活性炭是一種比較特殊的碳質材料，是一類具有石墨微晶的無定形的碳，是一種具有豐富孔隙結構和巨大比表面積的良好碳質吸附材料，其中主要化學成分是碳元素，并含有少量的氫、氮、氧及灰分。在高溫和一定壓力下，活性炭通過熱解作用形成復雜的孔隙結構和巨大的表面積，作為吸附劑被應用于多方面，如污水處理、重金屬處理、空氣凈化等［1-3］。

現今，活性炭的主要原料為所有富含碳元素的有機材料，如木材、椰殼、核桃殼、果殼、煤等［3-5］，殼聚糖為一種來源廣泛的天然高分子化合物，具有無毒、易降解、抑菌作用、絮凝作用等特點［6］，利用其制作活性炭的報道較少［7］。本文利用殼聚糖制作新型活性炭，并測定了其對亞甲基藍的吸附作用，檢測此新型活性炭的應用價值，為應用提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

殼聚糖(脫乙酰度95%);亞甲基藍，超純級;氫氧化鈉、冰醋酸均為分析純。

HJ-4A 多頭磁力攪拌器;Unico UV-2000 紫外可見分光光度計;WP800TL-23-k3 微波爐;DHG-9075A電熱鼓風干燥箱;S3400N 掃描電子顯微鏡;K850 臨界點干燥儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 殼聚糖質活性炭制作稱取2 g 殼聚糖粉末，溶于50 mL 1%的冰醋酸，制成0.04 g/mL 的殼聚糖溶液，用氫氧化鈉進行凝膠化，用去離子水清洗至pH 值為7，之后進行干燥、微波炭化、酸洗、水洗、干燥，制成活性炭。

1.2.2 亞甲基藍標準曲線稱取0.5，1，1.5，2，2.5 mg 的亞甲基藍粉末溶于50 mL 的容量瓶中，配制成質量濃度為10，20，30，40，50 mg/L的亞甲基藍溶液，在660 nm 處測量吸光值，作濃度-吸光值曲線，線性回歸，得標準曲線方程y= 0. 044 5x +0.172 4，R2=0.980 2。

1.2.3 活性炭對亞甲基藍吸附實驗稱取0.3 g活性炭投入到20 mg/L 的亞甲基藍溶液中，30 ℃下攪拌1 h 后，用紫外分光光度計于660 nm 處測量吸光度，并按照式(1)計算吸附量、清除率。

式中 q——吸附量，mg/g;

C0——亞甲基藍初始質量濃度，mg/L;

Ce——吸附平衡時亞甲基藍的質量濃度，mg/L;

V——亞甲基藍溶液體積，L;

m——活性炭樣品的質量，g。

2 結果與討論

2.1 殼聚糖質活性炭的表征

圖1 為所制作的殼聚糖質活性炭的掃描電鏡(SEM)圖，其中圖a 為此材料的近視圖(5 μm)，圖b 為遠視圖(200 μm)。

圖1 活性炭的掃描電鏡圖Fig.1 SEM micrographs of activated carbon

由圖1 可知，活性炭表面不規則，有微孔及裂隙，結果保證了此材料的吸附性能。

2.2 活性炭投入量對吸附效果的影響

稱取2 g 殼聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的殼聚糖溶液，制成活性炭，加入到20 mg/L 的亞甲基藍溶液中，30 ℃下中速磁力攪拌1 h，過濾，于660 nm 處測量吸光度，并計算清除率，結果見圖2。

由圖2 可知，殼聚糖質活性炭加入量越多，吸附效果越明顯，加入量≥0.3 g 時，亞甲基藍清除率趨于平穩，達到83.09%，低于張娟等制作的竹炭［4］。

圖2 活性炭加入量對吸附效果的影響Fig.2 Effect of the amount of activated carbon for adsorption capacity

2.3 吸附時間對吸附效果的影響

稱取2 g 殼聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的殼聚糖溶液，制成活性炭，投0.3 g到20 mg/L 的亞甲基藍溶液中，30 ℃下中速磁力攪拌1 h，在規定時間內取出，過濾，于660 nm 處測量吸光度，并計算清除率，結果見圖3。

圖3 吸附時間對吸附效果的影響Fig.3 Effect of the adsorption time of activated carbon for adsorption capacity

由圖3 可知，隨著吸附時間的增加，吸附率也逐漸增加，在吸附60 min 后，基本趨于平穩，亞甲基藍的清除率高達83.9%。

2.4 不同體積亞甲基藍的量對吸附效果的影響

稱取2 g 殼聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的殼聚糖溶液，制成活性炭，分別投0.3 g 到10，20，30，40，50 mL 的20 mg/L 的亞甲基藍溶液中，30 ℃下中速磁力攪拌1 h，過濾，于660 nm處測量吸光度，并計算清除率，結果見圖4。

由圖4 可知，加入的亞甲基藍體積越少，吸附效果越明顯［7］，當亞甲基藍加入的體積＜10 mL 時，吸附效果較好。

圖4 不同亞甲基藍體積對吸附效果的影響Fig.4 Effect of the volume of methylene blue for adsorption capacity

2.5 溫度對吸附效果的影響

稱取2 g 殼聚糖溶于50 mL 的1%冰醋酸中，制成0.04 g/mL 的殼聚糖溶液，制成活性炭，投0.3 g到20 mg/L 的亞甲基藍溶液中，20 ～60 ℃下中速磁力攪拌1 h，過濾，于660 nm 處測量吸光度，并計算清除率，結果見圖5。

圖5 溫度對吸附效果的影響Fig.5 Effect of the adsorption temperature of activated carbon for adsorption capacity

由圖5 可知，溫度對吸附效果的影響較小，整體上隨著溫度的增加，清除率增加，當溫度達到50 ℃以后，清除率基本無變化。

2.6 吸附動力學研究［8］

為了研究殼聚糖質活性炭的吸附動力學特性，找到合適的動力學模型，分別選用準一級動力學方程以及準二級動力學方程對數據進行擬合。

式中 qe——平衡時對亞甲基藍的吸附量，mg/g;

q——在t 時刻時對亞甲基藍的吸附量，mg/g;

k1——準一級速率常數，min－1。

其中，k2為準二級速率常數，g/(mg·min)，結果見圖6。

圖6 二級吸附動力學方程Fig.6 The second adsorption kinetic

該吸附過程符合準二級動力學方程，線性相關系數為0.998 8。從斜率和截距得到動力學參數見表1。

表1 殼聚糖質活性炭對亞甲基藍吸附的動力學參數Table 1 Adsorption kinetic parameters of methylene blue by activated carbon

由表1 可知，準二級動力學方程能較好的描述殼聚糖質活性炭對亞甲基藍的吸附動力學過程，模擬計算出的qe與實驗中所得的qe基本一致。

2.7 吸附等溫線研究［9］

運用Langmuir 方程(式5)和Freundlich 方程(式6)對實驗數據進行擬合。

式中 qm——理論飽和吸附容量，mg/g;

b——Langmuir 常數。

其中，Kf，n 表示Freundlich 常數。

吸附等溫方程擬合結果見圖7，其擬合相關參數見表2。Freundlich 方程可很好地描述殼聚糖質活性炭對亞甲基藍的吸附行為。

圖7 Freundlich 吸附等溫線Fig.7 Freundlich adsorption isotherms

表2 Freundlich 方程擬合參數Table 2 Freundlich equation fitting parameters

3 結論

(1)殼聚糖質活性炭對亞甲基藍最佳吸附條件:投入量為0.3 g，吸附時間為60 min，亞甲基藍體積為10 mL，吸附溫度為50 ℃，吸附能力達80%以上。

(2)此吸附過程符合二級吸附動力學方程，吸附過程符合Freundlich 模型。

［1］ 賈陳忠，秦巧燕，樊生才.活性炭對含鉻廢水的吸附處理研究［J］.應用化工，2006，35(5):369-372.

［2］ 張瑩，張教強.活性炭纖維及其在水處理方面的應用現狀條件［J］.炭素，2010(3):38-42.

［3］ 李鳳鐿，譚君山.活性炭吸附法處理染料廢水研究的進展概況［J］.廣州環境科學，2010，25(1):5-8.

［4］ 張娟，王春芳，宋秭龍.竹炭對亞甲基藍的吸附平衡和動力學研究［J］.河北科技大學學報，2012，33(5):417-421.

［5］ 李大偉，朱錫鋒.富含中、微孔稻殼活性炭的表征及液相吸附性能［J］. 中國環境科學，2010，30(12):1597-1601.

［6］ Majeti N，Ravi Kumar V.A review of chitin and chitosan applications［J］.Reactive and Functional Polymers，2000，46(1):1-27.

［7］ 袁紅梅，伊文濤，閆春燕.殼聚糖/活性炭復合吸附劑的制備及其對亞甲基藍的吸附性能研究［J］.安徽農業科學，2012，40(27):13533-13535.

［8］ Sevilay Cengiz，Levent Cavas. Removal of methylene blue by invasive marine seaweed:Caulerpa racemosa var.cylingracea［J］.Bioresource Technology，2008，99:2357-2363.

［9］ 吳煥領，魏賽男，崔淑玲. 吸附等溫線的介紹及應用［J］.染整技術，2006，28(10):12-14.