煤基活性炭的制備及其對有機(jī)染料羅丹明b的吸附

王星罡

(大同煤業(yè)金鼎活性炭有限公司備煤車間，山西 大同 037000 )

1 研究背景

染料廣泛應(yīng)用于紡織、食品、造紙、化妝品、藥品和皮革等工業(yè)，作用是對各種產(chǎn)品進(jìn)行著色。在紡織工業(yè)中，大約10%～15%的染料在染色過程后被排放到環(huán)境中，產(chǎn)生高度有色的污水，這會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題[1-2]。另外，某些染料具有致癌作用，可能會(huì)對人體肝臟、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)造成損害。因此，含有染料的廢水在排放前應(yīng)妥善處理，目前主要使用膜分離、電化學(xué)處理、生物過程和化學(xué)氧化和吸附等方法進(jìn)行處理。其中，吸附法是公認(rèn)的有效分離技術(shù)，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 可以有效去除有機(jī)和無機(jī)污染物；2) 操作簡單；3) 不會(huì)造成二次污染；4) 可再生和再利用，且成本低。活性炭是一種常用的吸附劑，活性炭粉末具有高的比表面積，所以具有高吸附容量。本文選擇藻酸鹽與活性炭粉末復(fù)合，制備出具有高吸附性能并且成本低的吸附劑，選用有機(jī)染料羅丹明b評價(jià)海藻酸鹽微球的吸附效果，通過改變吸附劑劑量、溶液pH值、MB初始濃度和接觸時(shí)間，研究了不同吸附條件對吸附性能的影響[3-6]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

羅丹明b、氯化鈣(CaCl2)、氯化鋅(ZnCl2)、氫氧化鈉(NaOH)、鹽酸(HCl)，購自國藥集團(tuán)。

2.2 活性炭的制備

首先，將煤原料進(jìn)行粉碎，使用50目(270 μm)篩子篩選出顆粒尺寸50目(270 μm)以下的原煤粉末，將樣品用水洗滌除去雜質(zhì)，在105 ℃的烘箱中干燥12 h。隨后，將煤炭粉末與ZnCl2以1∶4(質(zhì)量比)的比例混合，混合物中加入蒸餾水制成漿液，室溫下攪拌6 h。然后，在600 ℃下燒30 min，將制備的樣品用3 mol/L HCl溶液洗滌，再用熱去離子水洗滌，在105 ℃烘箱中干燥24 h。

2.3 交聯(lián)藻酸鹽

在制備交聯(lián)藻酸鹽珠粒時(shí)，將16 g在優(yōu)化條件下制備的干燥活性炭與8 g海藻酸鈉混合，加入400 mL蒸餾水制備漿液。固定反應(yīng)在含有0.1 mol/L CaCl2溶液的1 L燒杯中進(jìn)行， 攪拌速度為450 r/min，將活性炭粉末和海藻酸鈉的漿液放入50 mL滴定管中并逐滴加入到CaCl2溶液中。將玻璃粉放入CaCl2溶液中過夜以確保完全凝膠化，然后，用蒸餾水洗滌除去未結(jié)合的CaCl2。最后，將制備好的復(fù)合材料在60 ℃烘箱干燥24 h，并儲(chǔ)存在干凈的干燥瓶中備用。 復(fù)合材料是平均直徑為1.94 mm(范圍1.84 mm～2.12 mm)的球體。

2.4 吸附測試

在室溫下將5 mg復(fù)合材料加入15 mL羅丹明b溶液(20 mg/L～100 mg/L)中，隨著實(shí)驗(yàn)運(yùn)行不同的時(shí)間取溶液上清液，用波長為664 nm的紫外可見光譜儀(雙光束紫外-可見分光光度計(jì)，Shimadzu 1800)測定染料羅丹明b濃度。在每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，從溶液中分離出復(fù)合材料。

3 結(jié)果與討論

3.1 吸附劑劑量的影響

為了研究吸附劑劑量對羅丹明b吸附的影響，使用從0.01 g到0.10 g不同劑量的復(fù)合材料進(jìn)行測試，圖1顯示了不同吸附劑劑量的吸附效果，其他吸附條件為：室溫，50 mg/L羅丹明b，接觸時(shí)間120 min，初始pH=10。圖1結(jié)果表明，隨著吸附劑劑量從0.01 g增加到0.10 g，羅丹明b去除率從74.3%增加到98.98%。隨著劑量的增加，活性炭-藻酸鹽珠上的活性位點(diǎn)增加，從而吸附量增加，但是，吸附效率隨著吸附劑用量的增加而降低，這是由于，吸附了羅丹明b染料分子后剩余的空位較多。

圖1 吸附劑劑量對吸附容量的影響

3.2 初始pH的影響

過量質(zhì)子的存在會(huì)強(qiáng)烈影響吸附劑表面的化學(xué)狀態(tài)，所以染料溶液的初始pH值是影響染料吸附性能的重要參數(shù)。圖2顯示了溶液的初始pH對羅丹明b吸附的影響。結(jié)果表明，復(fù)合材料對羅丹明b吸附量隨著羅丹明b溶液初始pH值的增加而增加，在pH=10時(shí)達(dá)到最大值。pH值低于7時(shí)，對羅丹明b的吸附量較低，主要是由于，在溶液中存在過量的游離質(zhì)子，其與羅丹明b分子競爭活性炭-藻酸鹽珠粒上的吸附位點(diǎn)。隨著溶液pH值增加到7以上，羥基離子的增加導(dǎo)致活性炭-藻酸鹽珠上的官能團(tuán)增加，羅丹明b的吸附量顯著增加。因此，選擇pH=10作為使用活性炭-藻酸鹽珠從水溶液中除去羅丹明b的最佳pH。

圖2 溶液的初始pH對吸附容量的影響

3.3 接觸時(shí)間和初始質(zhì)量濃度對吸附性能的影響

圖3顯示了接觸時(shí)間對不同羅丹明b染料質(zhì)量濃度(20 mg/L～100 mg/L)在活性炭-藻酸鹽珠上的吸附容量的影響。隨著接觸時(shí)間的增加，所有不同羅丹明b染料濃度的吸附容量逐漸增加。由于活性炭-藻酸鹽珠表面上的空位和活性官能團(tuán)的都可用，所有濃度的羅丹明b的吸附速率一開始都很快，在接觸的初始階段，溶液中有很多的染料分子，它們具有較高的傳遞速率，然而，隨著時(shí)間的推移，由于空位和活性官能團(tuán)的飽和以及溶液中羅丹明b分子的減少，羅丹明b吸附量逐漸減小。對于較低濃度的染料溶液，溶液中羅丹明b分子的量較少，所以較早獲得吸附平衡。

圖3 接觸時(shí)間和初始質(zhì)量濃度對吸附性能的影響

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)證明，本文合成的活性炭藻酸鹽復(fù)合材料可以成功地從水溶液中去除羅丹明b染料。改變各種實(shí)驗(yàn)條件，如，吸附劑量、溶液pH值和羅丹明b染料質(zhì)量濃度，得到最佳吸附性能。復(fù)合材料對羅丹明b染料的吸附效率高達(dá)230 mg/g。 吸附容量隨著接觸時(shí)間和羅丹明b染料初始濃度的增加而增加。