磁性花生殼活性炭處理亞甲基藍模擬染料廢水

張騰化 岳曉康 劉偉華

摘要 [目的]以經濟、環保的磁性花生殼活性炭為吸附劑，研究其對亞甲基藍（MB）的吸附性能。[方法]對吸附劑用量、吸附時間、染料初始濃度、溶液pH及溫度等因素進行綜合考察，確定最佳吸附條件。[結果]最佳吸附劑用量為0.4 g/L，吸附過程不受溶液pH影響。過程與準二級動力學模型基本相符（R2>0.988）。吸附等溫線與Langmuir等溫方程的契合度最高（R2>0.986）。[結論]磁性花生殼活性炭是一種有前途的染料廢水處理生物材料。

關鍵詞 磁性花生殼活性炭；亞甲基藍；動力學；熱力學；吸附

中圖分類號 X791 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）28-0065-03

Abstract [Objective]To study the adsorption properties of methylene blue by using economic and environmental magnetic peanut shell activated carbon as adsorbent.[Method]The optimum conditions of adsorption were determined by investigating the amount of adsorbent，the time of adsorption，the initial concentration of dye，the pH and temperature of the solution.[Result]The optimum adsorbent dosage was 0.4 g/L，and the adsorption process was not affected by the pH of the solution.This process was basically consistent with the quasi two order kinetic model （R2>0.988）.The agreement between the adsorption isotherm and the Langmuir isotherm equation was the highest （R2>0.986）.[Conclusion]The magnetic peanut shell activated carbon was an attractive substance for removing dyes from dye wastewater.

Key words The magnetic peanut shell activated carbon；Methylene blue；Kinetics；Thermodynamics； Adsorption

隨著印染工業的發展，染料的廣泛使用導致染料廢水大量排放于自然水體中。含有染料的工業廢水成分復雜、質量濃度高、難于降解，大量排放到環境水體中，對生態環境有惡劣影響。染料廢水的處理方法很多[1-10]，其中吸附法被普遍認為是快速凈化染料廢水的有效方法[11-14]。因此，降低廢水處理成本，開發廉價、高效的吸附劑已越來越受到人們的重視。研究發現，一些有多孔結構的農作物或農產品廢棄物具有潛在的吸附性能，且價格低廉、來源廣泛，因此，作為工業廢水處理劑越來越受到人們的關注[15-18]。

磁分離技術是二十世紀七八十年代新興的環境保護技術，是在外加磁加載物的作用下，將水體中的微粒磁化、絮凝后再分離，從而達到凈化水的目的。筆者用農業廢棄物花生殼為原料，經過一定處理得到磁性花生殼活性炭，用磁性花生殼活性炭處理了亞甲基藍（MB）溶液，研究了其對MB的吸附效果，考察了pH、吸附劑用量、MB初始濃度、溫度對吸附效果的影響，對其吸附動力學及吸附熱力學行為進行了探討，旨在為農林廢棄物處理染料廢水的工業化應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料 THZ-823水浴恒溫振蕩器（金壇市杰瑞爾電器有限公司）；UV-1100紫外可見分光光度計（上海美譜達儀器有限公司）；超聲波清洗器（保定圣峰儀器科技有限公司）；CP114電子天平（上海奧豪斯儀器有限公司）；玻璃儀器氣流烘干器（保定市高新區陽光科教儀器廠）；微型植物粉碎機（天津市奧斯特儀器有限公司）；PHS-3C型酸度計（長沙英泰有限公司）。亞甲基藍、鹽酸、氫氧化鈉、乙醇（分析純，保定博愛欣化學試劑有限公司），所有用水均為二次蒸餾水。

1.2 吸附劑的制備 花生殼洗凈烘干，粉碎，過篩，用一定質量分數的磷酸浸泡處理，馬弗爐活化，用熱水洗至中性，烘干，研磨，過篩，得到一定粒徑的花生殼活性炭。將花生殼活性炭以化學共沉淀法制備磁性花生殼活性炭。

1.3 亞甲基藍溶液的制備 配制濃度為1.0 g/L MB儲備液，試驗所用不同濃度的MB溶液均由上述儲備液按不同比例稀釋配制。

1.4 吸附試驗 采用靜態法進行試驗，將一定質量濃度的亞甲基藍水溶液倒入50 mL錐形瓶中，加入一定量磁性活性炭粉末，然后置于恒溫可調振蕩器上進行吸附試驗。每隔一定時間取樣，用可見分光光度法測定溶液的吸光度（A）。亞甲基藍的線性歸一方程為A=0.051 1+0.162 8C（相關系數為0.996 1）；計算染料去除率（R）及平衡吸附量（qe）。公式如下：

2 結果與分析

2.1 吸附劑用量對MB吸附效果的影響

從圖1可知，隨著磁性花生殼活性炭用量的增大，吸附劑對MB的吸附率逐漸增加，最后吸附速度趨于平緩。

同時，當磁性花生殼活性炭用量為0.4 g/L時，去除率達到95%以上，再增加吸附劑用量去除率變化不明顯，故確定0.4 g/L為最佳用量。

從吸附時間角度分析，吸附劑對MB在前10 min吸附速率很快，之后隨吸附時間的延長，去除率增長緩慢，達30 min后去除率開始趨于平緩，再延長吸附時間基本達到吸附平衡。因此，選取60 min為最佳吸附時間。

2.2 吸附動力學行為

由表1可知，在不同濃度下，準二級動力學模型的線性相關系數（R2）均達0.988以上，qe的計算值與試驗結果相符。因此，磁性花生殼活性炭吸附MB的過程符合準二級動力學模型，表明化學吸附可能是該吸附過程的速率控制步驟[21]。從粒子內部擴散模型的結果可以看出，通過該模型擬合得到的R2較大，但是擬合的大部分直線并未通過原點，表明磁性花生殼活性炭對MB的吸附受粒子內部擴散的化學機理控制，但該模型不是其唯一速率控制步驟。

2.3 吸附熱力學行為

由表2可知，D-R等溫方程的R2整體偏低，表明磁性花生殼活性炭對MB的等溫吸附不符合D-R等溫方程。研究表明，當活化能Ea小于8 kJ/mol時，屬于物理吸附過程；當Ea大于8 kJ/mol時，屬于化學吸附過程[22-23]。292、302、312、322 K時的Ea均大于8 kJ/mol，表明磁性花生殼活性炭對MB的吸附是化學吸附過程。Freundlich等溫方程的相關系數（R2）較低，表明磁性花生殼活性炭對MB的吸附不符合Freundlich等溫方程。

Langmuir等溫方程的相關系數（R2）比較高，均大于0.980 0，表明磁性花生殼活性炭對MB的等溫吸附能夠較好地符合Langmuir等溫方程。qmax隨溫度升高而增大，表明溫度升高有利于吸附反應進行，表明該反應為吸熱反應。

由表3可知，在不同溫度下的ΔG均小于0，表明在292 K（19 ℃）至322 K（49 ℃）時磁性花生殼活性炭對MB的吸附過程是自發進行的，且隨著溫度的升高ΔG有增大趨勢。該吸附反應的ΔH為13.47 kJ/mol，表明該吸附反應是吸熱反應，溫度升高，有利于該反應的進行。該吸附反應的ΔS是84.22 J/（mol·K），表明吸附后體系的混亂度增加。因此，磁性花生殼活性炭對MB的吸附是自發進行的熵增吸熱反應。

2.4 pH對吸附率的影響

溶液pH為2、4、7、8、10、12時，對MB的去除率分別為95.94%、95.66%、96.24%、95.08%、95.52%、95.49%，可見，溶液pH改變對磁性花生殼活性炭吸附MB的效果影響很小，去除率均在95%以上，均可達到很好的吸附效果，表明在實際使用該吸附劑時不需要調節染料廢水的pH。

2.5 吸附劑的再生

磁性花生活性炭的使用次數分別為1、2、3、4、5時，對MB的去除率分別為96.18%、95.33%、94.69%、94.11%、93.89%，可見，磁性花生殼活性炭用于吸附MB重復使用5次去除率仍高達93%以上，具有可再生回收、反復多次使用的優點，避免了二次污染的產生，在實際工業應用中具有重要意義。

3 結論

該研究以磁性花生殼活性炭作為吸附劑，考察了其對MB的吸附能力。結果表明，最佳吸附劑用量為0.4 g/L，吸附過程不受溶液pH影響。通過吸附動力學行為研究發現，該吸附劑吸附MB染料廢水符合準二級動力學模型。吸附熱力學結果表明，在不同溫度下MB在磁性花生殼活性炭的吸附滿足Langmuir等溫方程。qmax隨溫度的升高而增大，表明溫度升高有利于吸附反應進行，該反應為吸熱反應。D-R等溫方程擬合結果表明該吸附反應以化學吸附為主。同時吸附熱力學結果表明該吸附反應是自發進行的熵增吸熱過程。用磁性花生殼活性炭處理印染廢水具有成本低、用量少、脫色效果好、易分離、可再生利用等優點，在處理印染廢水方面有較好的應用前景。

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