改性生物炭對(duì)考馬斯亮藍(lán)的吸附研究

陳修棟，曹小華，汪亞威，占昌朝

（九江學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江西九江 332005）

當(dāng)今，清潔水資源短缺已經(jīng)成為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的焦點(diǎn)問(wèn)題。清潔水資源短缺主要是由于可用水資源本身較少，且產(chǎn)生了大量的工業(yè)廢水，尤其是印染廢水［1-3］。染料廢水屬于目前幾種難治理的廢水之一，有機(jī)染料含量高、組成復(fù)雜、色度深、毒性大［4-6］。據(jù)調(diào)查，在世界范圍內(nèi)，每年大約有10%甚至超過(guò)10%的染料未經(jīng)處理直接排放到江河湖泊中，造成嚴(yán)重的污染［7］。化學(xué)降解、生物降解、物理吸附是工業(yè)上處理印染廢水的常用方法。

本課題選用的改性生物炭是一種具有較大比表面積和良好孔結(jié)構(gòu)的材料，具有作為吸附和催化材料的良好條件，因此，改性生物炭用作吸附劑具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的經(jīng)濟(jì)意義［8-11］。

本課題以廢棄小麥桔桿為原料制備了生物炭，采用KOH 進(jìn)行改性，并將其用于印染廢水中考馬斯亮藍(lán)（CBG）的吸附研究，為開(kāi)發(fā)利用小麥桔桿這種廉價(jià)的生物質(zhì)材料、提高其附加值提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

儀器：UV-2550 型紫外分光光度計(jì)（日本島津分析儀器公司），JB-3 型恒溫磁力攪拌器（上海電磁新經(jīng)儀器公司），恒溫水浴鍋，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DL-SM 型離心機(jī)（長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司），CVD（D）-05/30/1 型低溫管式爐（合肥日新高溫技術(shù)有限公司），ASAP2020M+C 型全自動(dòng)微孔分析儀（美國(guó)麥克儀器公司），HB-4 便攜式pH 計(jì)（上海三信儀表廠）。實(shí)驗(yàn)試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

1.2 生物炭的制備

1.3 生物炭的改性

將生物炭（C）和KOH 按質(zhì)量比4∶1 混合均勻，研磨，移至管式爐鐵管中進(jìn)行燒制；通入200 mL/min 的N2作為保護(hù)氣體，以2 ℃/min 從室溫升至850 ℃，保溫1.0 h，冷卻至室溫［12-14］。取出生成物，用0.2 mol/L 稀鹽酸和去離子水反復(fù)洗至中性，80 ℃干燥12 h，得到改性生物炭（K-C），貯存于塑料瓶中，封口備用。

1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

在100 mL CBG模擬染料廢水中加入適量K-C，在不同pH條件下進(jìn)行靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，并在8 000 r/min下離心10 min，取上清液，用紫外分光光度計(jì)在波長(zhǎng)584 nm下測(cè)吸光度，根據(jù)郎伯-比爾定律計(jì)算水中CBG的去除率：

其中，A0為吸附前的吸光度，A為吸附后的吸光度。

1.5 比表面積測(cè)定

稱(chēng)量樣品和測(cè)試管的質(zhì)量，脫氣處理30 min后，再稱(chēng)量得到樣品的實(shí)際質(zhì)量，最后計(jì)算比表面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 X 射線粉末衍射（XRD）

從圖1 可以看出，小麥桔桿炭化后得到一類(lèi)無(wú)定形的碳材料；通過(guò)KOH 活化生成的K-C 結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生太大的改變，還是維持無(wú)定形狀。

圖1 生物炭與改性生物炭的XRD 圖

2.1.2 拉曼光譜

由圖2 中可以看出明顯的D 峰（1 380 cm-1，C 原子晶格的缺陷）和G 峰（1 590 cm-1，C 原子sp2雜化的面內(nèi)伸縮振動(dòng)）。活化前后ID/IG（D 峰和G 峰的強(qiáng)度比）值分別為1.25、1.68，說(shuō)明改性后的生物炭缺陷程度明顯增大［15-16］。

在整個(gè)醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)質(zhì)量控制工作中，醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)人員發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其是實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)高質(zhì)量、高效率的基礎(chǔ)。但是就目前來(lái)看，很多醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)的檢驗(yàn)人員在進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)的時(shí)候，很容易會(huì)出現(xiàn)疏忽大意的情況，沒(méi)有對(duì)醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，從而導(dǎo)致醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)質(zhì)量大幅下降，使檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性得不到有效的保障。

圖2 生物炭與改性生物炭的拉曼光譜圖

2.1.3 比表面積

從圖3 可知，生物炭具有較大的比表面積（630.5 m2/g），KOH活化后的生物炭比表面積可達(dá)690.5 m2/g。比表面積的增大主要是由于KOH 在高溫條件下促使碳形成各向同性和非石墨化無(wú)定形碳，而且殘留于生物炭中的含鉀化合物對(duì)改性過(guò)程有促進(jìn)作用，能形成大孔結(jié)構(gòu)。

圖3 生物炭與改性生物炭的比表面積

2.2 生物炭吸附CBG 的影響因素

2.2.1 生物炭用量

在實(shí)驗(yàn)溫度（25 ℃）恒定、CBG 初始質(zhì)量濃度40 mg/L、溶液初始pH=6的條件下，考察C與K-C對(duì)CBG去除率的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，KOH活化后的小麥桔桿碳對(duì)CBG的去除率比沒(méi)有活化前明顯提高；且20 min內(nèi)就可以達(dá)到75%左右，20 min后去除率變化變小，25 min時(shí)吸附基本達(dá)到平衡，可能歸因于吸附平衡熱力學(xué)的限制。K-C和C用量為2 g/L時(shí)，CBG去除率分別高達(dá)93.9%、50.8%，K-C 的去除率比C 大，可能歸因于大的比表面積和缺陷程度。所以，K-C和C用量選擇2 g/L。

圖4 生物炭用量對(duì)CBG 去除率的影響

2.2.2 CBG 初始質(zhì)量濃度

在常溫、K-C 和C 用量2 g/L、pH=6 的條件下，研究CBG 初始質(zhì)量濃度對(duì)CBG 去除率的影響，結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可知，CBG 去除率與初始質(zhì)量濃度呈反比，初始質(zhì)量濃度增大，去除率減小；CBG 初始質(zhì)量濃度為20 mg/L 時(shí)，兩種吸附劑的去除率分別達(dá)到98.8%、63.5%，增幅都較大；在CBG 初始質(zhì)量濃度為40、80 mg/L 時(shí)，CBG 去除率增幅變小。主要是因?yàn)槿芤褐形絼┑臄?shù)量和吸附位點(diǎn)一定，隨著CBG 初始質(zhì)量濃度的增大，達(dá)到吸附飽和后，去除率會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此，需根據(jù)CBG 的初始質(zhì)量濃度來(lái)調(diào)整K-C 用量，以便選擇最佳的實(shí)驗(yàn)方案。

圖5 CBG 初始質(zhì)量濃度對(duì)CBG 去除率的影響

2.2.3 溶液pH

在常溫、K-C 和C 用量2 g/L、CBG 初始質(zhì)量濃度40 mg/L 條件下，改變?nèi)玖先芤旱某跏紁H，去除率結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可知，溶液pH 對(duì)CBG 去除率的影響很大;當(dāng)pH=6 時(shí)，K-C 和C 對(duì)CBG 的去除率最高，分別可達(dá)93.7%、50.7%；在pH=7 的條件下，去除率明顯降低。主要原因可能是隨著pH 的減小，溶液中氫離子濃度增加，K-C 和C 表面質(zhì)子化，正電荷增多，可與CBG 分子中富含孤對(duì)電子的N、O 形成氫鍵，CBG 能被迅速吸附，因而去除率增大。

圖6 溶液pH 對(duì)CBG 去除率的影響

2.2.4 再生性實(shí)驗(yàn)

把吸附實(shí)驗(yàn)后的溶液進(jìn)行反復(fù)離心和超聲處理，烘干得到實(shí)驗(yàn)后的K-C。在pH=6、K-C用量2 g/L、CBG初始質(zhì)量濃度40 mg/L的條件下進(jìn)行靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，在30 min 內(nèi)反復(fù)再進(jìn)行相應(yīng)的吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7 所示。由圖7可以看出，K-C重復(fù)使用8次后，CBG去除率還能夠達(dá)到80.9%。

圖7 K-C 吸附次數(shù)對(duì)CBG 去除率的影響

3 結(jié)論

采用KOH活化的方法制備改性生物炭（K-C），制備方法簡(jiǎn)單而且高效。在高溫條件下，改性生物炭比表面積和缺陷程度增大，可以加快結(jié)合效率，提高CBG廢水的去除率。在常溫（25 ℃）、pH=6、K-C用量2 g/L、CBG初始質(zhì)量濃度40 mg/L的條件下進(jìn)行靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，在30 min內(nèi)，CBG去除率達(dá)到93.7%。與未改性的生物炭相比，K-C 對(duì)CBG 的去除率明顯提高，具有廣泛的應(yīng)用前景。