薰衣草葉對染料廢水中亞甲基藍的吸附特性

李紫薇++李小敏++劉偉++葛歡歡++張彤彤

摘要：對薰衣草葉去除水中亞甲基藍的可能性及其影響因素進行了研究，同時研究了其吸附性能和吸附機制。考察了薰衣草葉粉末添加量、pH值范圍、吸附溫度、時間對薰衣草葉粉末去除亞甲基藍的影響作用；用等溫方程和吸附動力學方程分別探討了薰衣草葉粉末去除亞甲基藍的行為；采用紅外技術對吸附前后的薰衣草葉粉末進行表征。結果表明，在中性或弱堿性條件下，投加0.060 g薰衣草葉粉末，溫度為35 ℃時振蕩120 min，薰衣草葉粉末對50 mL初始質量濃度150 mg/L的亞甲基藍吸附量可以達到106 mg/g。Langmuir等溫吸附方程能較好地描述薰衣草葉粉末對亞甲基藍的吸附特性，吸附動力學符合擬2級速率方程。紅外光譜提示，吸附過程中，O—H、C—O與亞甲基藍吸附發揮了重要作用。薰衣草葉能夠有效去除溶液中的亞甲基藍。

關鍵詞：薰衣草葉；亞甲基藍；吸附；吸附動力學；吸附等溫線

中圖分類號： TQ424.3；X703.1文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）09-0239-03

隨著我國染料和印染工業的迅速發展，大量的染料廢水被排入水體，對水環境安全造成了嚴重危害，同時也加劇了我國水資源形勢的日益緊張。染料廢水成分復雜、有機物濃度高、色度高，且難以生物降解。目前，廢水處理后回用率僅在10%左右[1]。因此，開展廢水深度處理的有關研究對保護水體環境和緩解水資源形勢十分必要。近年來，關于印染廢水深度處理及回用的研究越來越多，其中吸附法是利用多孔性固體物質的吸附能力將污水中的一種或多種物質去除的方法。由于吸附法不會引入新的污染物，能耗低且能從廢水中吸附分離有機污染物，因而受到廣泛關注。生物質材料來源廣，價格低廉。已有研究報道用棉花秸稈、花生殼、麥秸稈、棉花、甘蔗渣和香蕉皮等作為生物質吸附材料吸附染料[2-3]。薰衣草葉中含有羥基、亞甲基、氨基、酰胺基等多種有機基團，是一種良好生物吸附材料。目前，用薰衣草葉作為吸附材料去除水溶液中亞甲基藍的研究尚未見報道。本研究以薰衣草葉粉末為固體吸附劑，研究其處理染料廢水中亞甲基藍的吸附效果，旨在為薰衣草在染料污水治理方面的應用提供依據。

1材料與方法

1.1儀器與材料

儀器：FT-IR Prestige-21傅里葉變換紅外光譜儀，UV-2500 紫外可見分光光度計，SHZ-82型水浴恒溫振蕩器。

材料：亞甲基藍、鹽酸、氫氧化鈉，均為分析純。

薰衣草葉干粉吸附劑：薰衣草產自伊犁。將薰衣草葉洗凈，在45 ℃的烘箱中烘干，粉碎，過篩，收集40～60目的顆粒備用。試驗用水為去離子水。

1.2亞甲基藍染料廢水的配制

稱取一定質量干燥的亞甲基藍溶于去離子水中，配制亞甲基藍儲備液。吸附試驗所需不同濃度的溶液均由儲備液稀釋得到。

1.3試驗方法

1.3.1繪制亞甲基藍標準曲線

準確移取2.00 mL 5 g/L亞甲基藍儲備液至500 mL容量瓶中，用去離子水定容，得 20.00 mg/L 亞甲基藍標準溶液。分別移取一定體積該標準溶液至10 mL比色管中，用去離子水定容，配制亞甲基藍質量濃度為0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0 mg/L系列濃度標準溶液。以去離子水為參比，在最大吸收波長664 nm處測定不同濃度（C）亞甲基藍標準溶液的吸光度（D），繪制亞甲基藍標準曲線。亞甲基藍0.5～12.0 mg/L濃度范圍內，線性關系良好，線性方程：D=0.177 68C+0.033 26，r=0999 4。

1.3.2吸附試驗

取50.00 mL一定含量的亞甲基藍水溶液置于100 mL錐形瓶中，加入一定質量的薰衣草葉干粉吸附劑，振蕩頻率120 r/min，在水浴恒溫振蕩器中振蕩2 h后，離心分離，取上清液，在664 nm處測吸光度，由標準曲線法得溶液中亞甲基藍殘余濃度。若亞甲基藍殘余濃度較大則需定量稀釋后測吸光度，由線性方程計算濃度乘以稀釋倍數后得吸附后的平衡濃度Ce。平行試驗3次，吸附劑的平衡吸附量Q和亞甲基藍去除百分率E分別用公式（1）和公式（2）來計算：

式中：C0和Ce分別為亞甲基藍染料的初始和吸附平衡時質量濃度（mg/L）；V為溶液體積；m為吸附劑質量。

2結果與分析

2.1薰衣草吸附劑投加量對亞甲基藍吸附的影響

將50.00 mL初始質量濃度150 mg/L的亞甲基藍溶液分別置于裝有不同吸附劑量（0.005、0.010、0.020、0.040、0.060、0.080、0.100、0.120、0.140、0.160 g）的100 mL錐形瓶中，吸附溫度為25 ℃，振蕩2 h，考察吸附劑投加量對亞甲基藍吸附的影響。吸附劑的投加量越少，單位質量吸附劑所包圍的亞甲基藍分子就越多，吸附傳質動力越大，亞甲基藍分子容易與吸附材料結合，平衡吸附量越高[4]。吸附劑投加量由0.010 g增大至0.060 g，亞甲基藍去除率從24.95%迅速提高到84.70%，之后繼續增加吸附劑投加量，去除率提高緩慢并趨于吸附平衡，吸附劑投加量為0.14 g時去除率為91.95%（圖1）。綜合考慮薰衣草吸附量和亞甲基藍水溶液去除率，選擇吸附劑投入量為 0.06 g 為宜。

2.2溶液pH值對亞甲基藍吸附的影響

用0.01、0.10 mol/L HCl和0.01、0.10 mol/L NaOH來調節亞甲基藍水溶液酸度。初始質量濃度為150 mg/L亞甲基藍水溶液各50.00 mL，pH值分別為0.92、1.93、3.12、3.95、4.96、5.96、6.93、8.02、8.94、9.96、10.95，吸附劑投放量為 0.060 g，吸附溫度為25 ℃，按照“1.3.2”節吸附試驗方法，考察pH值對亞甲基藍吸附的影響。從圖2可以看出，隨pH值的增大吸附量逐步增加，pH值在5～11時，吸附量變化不顯著，說明靜電作用不是控制吸附的唯一因素[5]。在pH值較低時，氫離子占據了吸附劑表面的活性電位，阻礙了吸附劑與染料分子的結合，吸附劑對亞甲基藍水溶液的吸附量較低。隨著pH值增大，吸附劑表面荷負電荷，為吸附亞甲基藍提供了眾多的帶電吸附點位，因此吸附劑對亞甲基藍的吸附量也隨之增大。試驗結果表明薰衣草葉吸附亞甲基藍適合在中性和弱堿性條件下進行[6]。

2.3振蕩時間對亞甲基藍吸附的影響

稱取8份質量為0.060 g薰衣草葉干粉，分別置于8個100 mL錐形瓶中，錐形瓶中加入150 mg/L亞甲基藍水溶液各50 mL，pH值為6.5。吸附時間分別為5、10、20、40、60、90、120、150、180、240 min，按照“1.3.2”節吸附試驗方法，考察振蕩時間對亞甲基藍吸附的影響。從圖3可以看出，吸附量隨時間的變化曲線大致可分為3個階段，60 min之前為快速吸附階段，60～120 min為慢速吸附階段；此后，隨著接觸時間的增加吸附量無明顯變化。吸附平衡后，最大吸附量達到 106 mg/g。

2.4溫度對亞甲基藍吸附的影響

稱取質量為0.060 g薰衣草葉干粉吸附劑分別置于6只100 mL錐形瓶中，錐形瓶中加入150 mg/L亞甲基藍水溶液各50 mL，吸附溫度分別為15、25、30、35、40、45 ℃。按照吸附試驗方法考察溫度對亞甲基藍吸附的影響。從圖4可以看出，在相同條件下，隨著溫度的升高，亞甲基藍水溶液在吸附劑上的吸附量緩慢增加，這是由于高溫加強了亞甲基藍水溶液中離子與吸附劑之間的作用力[7]。在溫度為35 ℃的環境下亞甲基藍水溶液在薰衣草上的吸附效果最好。

2.5吸附動力學研究

試驗采用擬一級和擬二級動力學模型對薰衣草干粉吸附劑靜態吸附的動力學數據進行擬合，參考文獻[6]方法分別由lg（Qe-Qt）和t/Qt分別對t作圖。從圖5可以看出，從計算的r2值可知，吸附劑對亞甲基藍的吸附符合擬二級動力學模型，計算獲得最大理論吸附量Qe，cal值等于108.34 mg/g，與試驗所得平衡吸附量Qe，exp值106 mg/g較吻合，該吸附過程遵循擬二級動力學模型為化學反應控制。

2.6吸附等溫線的擬合

薰衣草干粉吸附劑投加量為0.060 g，亞甲基藍溶液初始質量濃度分別為100.0、120.0、150.0、200.0、250.0、300.0 mg/L 時，按照“1.3.2”節吸附試驗方法，考察染料初始濃度對吸附效果的影響，從圖6可以看出，隨著亞甲基藍濃度的增加，吸附劑對亞甲基藍的吸附量也逐漸增加。采用Langmuir和Freundlich等溫吸附方程擬合靜態吸附試驗數據[8]，結果見圖7。

根據r2數值，薰衣草葉干粉吸附劑對亞甲基藍的吸附等溫線與Langmuir方程能較好地吻合，表明吸附劑對亞甲基藍的吸附主要以單分子的形式吸附在其表面。根據Langmuir方程計算得到理論最大吸附量為203.25 mg/g。

2.7紅外光譜分析

將吸附前后的薰衣草葉干粉與溴酸鉀混合，研磨均勻后壓片，測定0～4 000 cm-1官能團特征。從圖8可以看出，3 100～3 700 cm-1處出現酚羥基、醇羥基或羧羥基的伸縮振動寬峰，2 926、2 856 cm-1處分別為CH2的不對稱和對稱 C—H 伸縮振動峰，1 732、1 635 cm-1分別是羰基的伸縮振動峰，1 049 cm-1 是C—O伸縮振動峰[9-11]。薰衣草葉干粉吸附亞甲基藍前后紅外光譜的譜線有明顯變化，尤其是O—H、C[FY=，1]O、C—O伸縮振動峰改變明顯。

3結論

通過試驗，可得以下結論。薰衣草葉干粉吸附劑對亞甲基藍有很好的吸附效果。紅外光譜分析顯示，吸附材料表面有較多的含氧基團，如O—H、C—O等在吸附過程中發揮著重要作用。中性和弱堿性條件下有利于吸附，過高濃度的[H+]與亞甲基藍陽離子競爭吸附而導致吸附量較低[3]。50 mL 初始質量濃度為150 mg/L亞甲基藍溶液，加入粒徑 40～60目薰衣草葉吸附劑0.060 g，溫度為35 ℃時振蕩120 min，最大吸附量達到106 mg/g。薰衣草葉干粉對亞甲基藍的吸附動力學符合擬二級動力學，吸附等溫線與Langmuir方程能較好地吻合。薰衣草葉干粉對亞甲基藍的吸附主要以單分子的形式吸附在其表面。根據Langmuir方程計算得到理論最大吸附量為203.25 mg/g。

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