土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)吸附的研究

高 勤，郝明亮，周保華，貢麗鵬

(1.河北省環(huán)境科學(xué)研究院，河北石家莊 050037；2.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.河北省環(huán)境科學(xué)學(xué)會，河北石家莊 050000)

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土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)吸附的研究

高 勤1，郝明亮1，周保華2，貢麗鵬3

(1.河北省環(huán)境科學(xué)研究院，河北石家莊 050037；2.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.河北省環(huán)境科學(xué)學(xué)會，河北石家莊 050000)

[目的]研究土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附。[方法]以土霉素菌渣活性炭為吸附劑，研究了pH、吸附溫度及轉(zhuǎn)速對土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍(lán)效果的影響，并采用準(zhǔn)一級方程和準(zhǔn)二級方程模型對反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。[結(jié)果]隨著pH的增大，吸附量增大；吸附溫度為35 ℃時吸附量最大；轉(zhuǎn)速為150 r/min時吸附量最大；準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)模型能夠較好地描述土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)。[結(jié)論]該研究可為土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍(lán)廢水的科學(xué)研究和合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

土霉素菌渣活性炭；亞甲基藍(lán)；吸附

亞甲基藍(lán)是一種堿性染料，其產(chǎn)生的廢水色度高，濃度大，嚴(yán)重影響人體健康，是難以治理的工業(yè)廢水之一[1]。含亞甲基藍(lán)廢水的處理方法主要有氧化、吸附、膜分離、絮凝、生物降解等[2]。吸附法是處理亞甲基藍(lán)廢水最常用的方法，因此探索更經(jīng)濟(jì)高效的吸附劑成為備受關(guān)注的課題。

土霉素菌渣活性炭是以制藥行業(yè)產(chǎn)生的土霉素菌渣為原料，經(jīng)化學(xué)活化法制備而成的一種顆粒狀活性炭。該活性炭具有空隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，比表面積大，吸附性能好，應(yīng)用領(lǐng)域廣的特點(diǎn)。土霉素菌渣活性炭在解決活性炭制備過程中存在的原材料緊缺、成本高的問題以及大量需求的同時，還可以將制藥行業(yè)廢棄物變廢為寶，既節(jié)約了資源又改善了環(huán)境。筆者以土霉素菌渣活性炭為吸附劑，研究了pH、吸附溫度及轉(zhuǎn)速對土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍(lán)效果的影響，在此基礎(chǔ)上研究了土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附動力學(xué)行為，為土霉素菌渣活性炭去除亞甲基藍(lán)廢水提供了科學(xué)依據(jù)，同時為土霉素菌渣活性炭的利用探索了新途徑。

1 材料與方法

1.1 原料吸附劑：以K2CO3為活化劑在最佳工藝條件下實(shí)驗(yàn)室制備的土霉素菌渣活性炭，其粒徑范圍為20～80目。首先將土霉素菌渣活性炭在去離子水中煮沸1 h，然后過濾，再在105 ℃下干燥24 h，密封備用[3]。

1.2 主要化學(xué)試劑及儀器試劑：亞甲基藍(lán)、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、氫氧化鈉、鹽酸。儀器：BS124S型電子天平(max 120 g，d=0.000 1 g)；UV1102型分光光度計(jì)(波長范圍190～1 100 nm，波長準(zhǔn)確度≤±0.5 nm)；THZ-82型恒溫振蕩器(室溫5～60 ℃，振蕩頻率40～300 r/min)；PHS-25型數(shù)顯pH計(jì)(誤差≤±0.05 pH)。

1.3 試驗(yàn)方法配制不同質(zhì)量濃度的亞甲基藍(lán)溶液，加入一定量的土霉素菌渣活性炭，用體積分?jǐn)?shù)為5%的鹽酸溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH，放入恒溫振蕩器振蕩一定時間，經(jīng)定性濾紙過濾后測其吸附量。土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附量關(guān)系如式(1)：

(1)

式中,qt為t時刻吸附量，mg/g；C0為亞甲基藍(lán)溶液初始濃度，mg/L；Ct為t時刻亞甲基藍(lán)濃度，mg/L；V為亞甲基藍(lán)溶液的體積，L；M為土霉素菌渣活性炭的用量，g。

1.4 試驗(yàn)分析方法采用《木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法——亞甲基藍(lán)吸附值的測定》測定亞甲基藍(lán)濃度[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH的影響由圖1可知，隨著pH的增大，土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附量增大，達(dá)到100 min后，不同pH的吸附量增加較小。吸附劑和吸附質(zhì)之間的靜電作用可以影響吸附量。亞甲基藍(lán)離子帶正電，在堿性條件下，有利于土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)離子的吸附，吸附量提高；而在酸性條件下，土霉素菌渣活性炭表面的正電荷與帶正電荷的亞甲基藍(lán)離子產(chǎn)生靜電排斥作用，吸附量下降[5-6]；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，吸附漸漸趨于飽和，吸附量增加較小。

2.2 溫度的影響由圖2可知，隨著溫度的升高，土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附量增加，但溫度超過35 ℃，吸附量下降。當(dāng)溫度較低時，亞甲基藍(lán)分子的熱運(yùn)動能較低，其與活性炭碰撞的幾率也就相對較低，吸附量不大。隨著溫度的升高，亞甲基藍(lán)分子的熱運(yùn)動加劇，土霉素菌渣活性炭與亞甲基藍(lán)分子的接觸幾率隨之增大；但溫度過高時，分子的熱運(yùn)動過于激烈，活性炭對亞甲基藍(lán)分子的解吸速率大于吸附速率，最終導(dǎo)致吸附量隨著溫度的繼續(xù)升高而下降[7]。

2.3 轉(zhuǎn)速的影響由圖3可知，隨著振蕩速度的增加，吸附量呈先上升后下降最終大致趨于平衡的趨勢。增加的原因是由于振蕩速度的提高，水的剪切力作用變大，降低了土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍(lán)的液膜阻力[8]；轉(zhuǎn)速過大時，吸附量下降是由于吸附在土霉素菌渣活性炭表面的亞甲基藍(lán)離子并非全部都是相當(dāng)牢固，轉(zhuǎn)速過大會導(dǎo)致固定得比較弱的亞甲基藍(lán)離子又釋放到溶液中，從而表現(xiàn)出吸附量下降。

(2.4 吸附動力學(xué)

(1)準(zhǔn)一級動力學(xué)方程。準(zhǔn)一級動力學(xué)方程可用式(2)表示：

(2)

(2)準(zhǔn)二級動力學(xué)方程。準(zhǔn)二級動力學(xué)方程可用式(3)表示：

(3)

(3)歸一化標(biāo)準(zhǔn)差Δq(%)，表示吸附的最適用動力學(xué)模型[9]，可用式(4)表示：

(4)

式中，n為試驗(yàn)測試點(diǎn)數(shù)目(無量綱)；qexp為實(shí)際吸附量，mg/g；qcal為理論吸附量，mg/g；qe為平衡吸附量，mg/g；qt為t時刻吸附量，mg/g；t為吸附時間，min；k1為準(zhǔn)一級吸附速率常數(shù)，min-1；k2為準(zhǔn)二級吸附速率常數(shù)，g/(mg·min)。

(4)吸附動力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果如下：

表1 土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍(lán)的動力學(xué)參數(shù)

由圖4可知，隨著亞甲基藍(lán)溶液初始濃度的增大，土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附量增加。當(dāng)亞甲基藍(lán)濃度增大時，傳質(zhì)推動力加大，亞甲基藍(lán)分子的擴(kuò)散速度加快，吸附速率增大[10]。由表1及圖5可知，準(zhǔn)二級方程具有更高的相關(guān)系數(shù)和更低的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差，且準(zhǔn)二級方程中的理論吸附量比準(zhǔn)一級方程中的理論吸附量更接近于實(shí)際吸附量，說明土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附更符合準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)方程。因?yàn)闇?zhǔn)一級動力學(xué)認(rèn)為顆粒內(nèi)傳質(zhì)阻力是吸附的限制因素，不可以準(zhǔn)確地描述吸附的全過程，而準(zhǔn)二級模型包含吸附的全部過程，如外部液膜擴(kuò)散、吸附和內(nèi)部顆粒擴(kuò)散等，能夠更為真實(shí)地反映吸附機(jī)理[11-12]。

3 結(jié)論

(1)研究了pH、吸附溫度、轉(zhuǎn)速對土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍(lán)的影響。隨著pH的增大，土霉素菌渣活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附量增大，但是變化趨勢不明顯；在吸附溫度和轉(zhuǎn)速分別為35 ℃和150 r/min時，吸附量分別最大。

(2)通過準(zhǔn)一級方程和準(zhǔn)二級方程研究了土霉素菌渣活性炭吸附亞甲基藍(lán)溶液的吸附動力學(xué)模型，結(jié)果表明準(zhǔn)二級方程可以更好地描述吸附動力學(xué)。

[1] 任南琪,周顯嬌,郭婉茜,等.染料廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報(bào),2013,6(1):84-94.

[2] 張躍東.活性炭吸附法在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用[J].河北化工,2011,34(6):74-76.

[3] 高勤.土霉素菌渣活性炭的制備及應(yīng)用研究[D].石家莊：河北科技大學(xué),2012.

[4] 中國林科院林產(chǎn)化工所.GB/T12496.10-1999,木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法——亞甲基藍(lán)吸附值的測定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[5] SUN R Q,SUN L B,CHUN Y,et al.Catalytic performance of porous carbons obtained by chemical activation[J].Carbon,2008,46(3): 1757-1764.

[6] SAHA S K,MALIK P K.Oxidation of direct dyes with hydrogen peroxide using perrous ion as catalyst[J].Separation and Purification Technology,2003,31(3): 241-250.

[7] 雷曉玲,黃芳,陳垚,等.活性炭對典型染料的吸附性能研究[J].工業(yè)水處理,2013,33(5):57-60.

[8] CHANG C Y,TSAI W T,LING C H,et al.Adsorption of polyethyleneglycol (PEG) from aqueous solution onto hydrophobic zeolite[J].Journal of Colloid and Interface Science,2003,260(2):273-279.

[9] 劉偉,李立清,姚小龍,等．活性炭空隙結(jié)構(gòu)在其甲苯吸附中的作用[J]．環(huán)境工程學(xué)報(bào),2012,6(9): 3210-3218.

[10] 李勤,黃亞繼,金保昇,等.生物質(zhì)活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附平衡和動力學(xué)研究[J].熱能動力工程,2010,25(4):450-456.

[11] CHANG M Y,JUANG R S.Adsorption of tannic acid ,humic acid ,and dyes from water using the composite of chitosan andactivated clay[J].Journal of Colloid and Interface Science,2004,278(1): 18-25.

[12] MESTRE A S,BEXIGA A S,PROENCA M,et al.Activated carbons from sisal waste by chemical activation with K2CO3: kinetics of paracetamol and ibuprofen removal from aqueous solution[J].Bioresoucer Technology,2011,102: 8253-8260.

Study on the Adsorption of Methylene Blue by Oxytetracycline Bacterial Residue Activation Carbon

GAO Qin1, HAO Ming-liang1, ZHOU Bao-hua2et al

(1. Hebei Provincial Academy of Environmental Science, Shijiazhuang, Hebei 050037; 2. College of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050000)

[Objective] The research aims to study the adsorption of methylene blue by oxytetracycline bacterial residue activation carbon. [Method] Oxytetracycline bacterial residue activation carbon is the adsorbent, and the effects of pH, adsorption temperature and rotation speed on adsorption for methylene blue are studied. Pseudo-first-order and pseudo-second-order models are used to fit the kinetic data. [Result] The adsorption capacity increases with the increase of pH, and is the maximum at 35 ℃. When rotation speed is up to 150 r/min, the adsorption capacity is the maximum. Kinetic study results show that the kinetic data are well described by the pseudo-second-order kinetic model. [Conclusion] The research could provide the scientific basis for scientific research and reasonable utilization of oxytetracycline bacterial residue activation carbon adsorbing methylene blue.

Oxytetracycline bacterial residue activation carbon; Adsorption; Methylene blue

高勤(1984-)，女，河北保定人，助理工程師，碩士，從事固體廢棄物資源化利用方面的研究。

2015-02-12

S 181.3;X 705

A

0517-6611(2015)10-243-03