針鐵礦對亞甲基藍的吸附性能研究

杜爽 和詩亮 孫玉蘭

摘 ? ? ?要：采用人工合成的針鐵礦為吸附劑，處理模擬亞甲基藍廢水，考察了多種因素對針鐵礦吸附亞甲基藍的影響。結果表明：針鐵礦吸附亞甲基藍的平衡時間為30 min;對于30 mg/L的亞甲基藍溶液，投加量為8 g/L，去除率達88.2%;溫度影響較小;亞甲基藍溶液為中性，吸附效果最佳;針鐵礦對亞甲基藍的吸附可以用Langmuir模型擬合，吸附符合準二級動力學方程，隨著溫度的增加，吸附速率加快。

關 ?鍵 ?詞：針鐵礦;亞甲基藍;吸附;染料

中圖分類號：TQ340.47， TQ577.3 ? ? 文獻標識碼： A ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）02-0353-04

Abstract： Synthetic goethite was used as adsorbent to treat simulated methylene blue wastewater， and effect of some factors on the adsorption of methylene blue by goethite was investigated. The results showed that：adsorption equilibrium time of methylene blue on goethite was 30 min; for 30 mg/L methylene blue solution， when goethite dosage was 8 g/L， the removal rate reached 88.2%; the temperature had little effect on the adsorption; when the methylene blue solution was neutral， the adsorption effect was the best. The adsorption of methylene blue on goethite can be fitted by Langmuir model， the adsorption of methylene blue by goethite accords with quasi-second-order kinetic equation， and the adsorption rate increases with the increase of temperature.

Key words： Goethite; Methylene blue; Adsorption; Dye

隨著工業化的飛速發展，染料成為水環境污染中的重要污染物，染料廢水引發的環境問題日益突出，對生態系統和人體健康構成嚴重的威脅。常見去除廢水中染料方法主要有吸附法、臭氧化法、光催化法、超濾法、電解法、離子交換法和生物氧化法等[1-4]。其中，吸附法因為具有投資少、處理效果好、吸附劑可再生、可以減小毒性等很多優點，被廣泛應用于水處理當中[5，6]。因此，研發高性能的吸附劑是當前水處理領域重要的研究熱點。

針鐵礦（α- FeOOH）是土壤、沉積物和水體中常見的組分，表面積較大，吸附能力較強[7]。很多研究者對其吸附性能進行了研究。王丹麗研究了針鐵礦對重金屬離子Cu2+ 、Zn2+ 和Cd2+ 的吸附[8];袁林研究了針鐵礦對Pb2+的吸附動力學和等溫吸附特征，考察了影響吸附的因素[9];顧維研究了針鐵礦吸附諾氟沙星的特征[10];劉曉華研究了針鐵礦對菲的吸附解吸行為[11];秦烜以針鐵礦（α-FeOOH）為光催化劑，在金屬鹵燈（λ≥365 nm）照射下，對α-FeOOH 與H2O2 組成的非均相Fenton 體系內橙黃Ⅱ的脫色進行了研究，取得了較好的脫色效果[12]。目前還很少有人研究針鐵礦對染料廢水的吸附性能。本文以人工合成的針鐵礦為吸附劑，處理染料亞甲基藍，考察了影響吸附效果的各種因素，目的在于為染料廢水的吸附處理提供相關的理論依據。

1 ?實驗部分

1.1 ?針鐵礦的制備及表征

配置一定濃度的硝酸鐵溶液，用氫氧化鈉溶液和硝酸溶液，調節pH值，經養護、冷卻至室溫，以5 000 r/min 的轉速離心分離5 min，烘干，磨碎，制備出針鐵礦。生成的針鐵礦采用XRD及SEM進行表征[13]。

1.2 ?靜態吸附試驗

向配置好的亞甲基藍溶液中加入一定量自制的針鐵礦，恒溫振蕩一段時間，高速離心分離，用分光光度計于664 nm波長下測定上清夜中亞甲基藍的濃度。

2 ?結果分析

2.1 ?針鐵礦的表征

將制備的針鐵礦用XRD進行表征，以Cu靶Kα作為輻射電源，6°/min進行掃描。結果如圖1。

由圖1可見，制備的針鐵礦XRD圖峰形尖銳，在2θ=21.2°，33.2°，34.7°，36.6°，53.2°處出現明顯的衍射峰，參照JCPDS Card： 81- 0463及相關文獻，表明制備的樣品為針鐵礦（α-FeOOH）[13，14]。

由圖2的SEM圖可知，所制備的針鐵礦呈細小棒狀，直徑 30～50 nm， 長度500 nm 左右，納米棒均勻分散，交錯排布，無明顯團聚。

2.2 ?各種因素對針鐵礦吸附亞甲基藍效果的影

2.2.1 ?吸附時間對亞甲基藍去除率的影響

配置6份50 mL 30 mg/L的亞甲基藍溶液，向其中加入0.1 g針鐵礦，在25 ℃，150 r/min振蕩5，10，20，30，40，50 min。4 500 r/min下離心分離10 min，測定其吸光度，計算出去除率，數據如圖3所示。

從圖3中可以看出，從5 min到30 min的過程中，隨著時間的延長，針鐵礦對亞甲基藍的去除率由32%增加至43%。當吸附時間為30 min時達到最大吸附量，在30 min至50 min這段時間內，亞甲基藍的去除率從43%降至34%，這可能是本已吸附了的亞甲基藍有一部分脫附了，綜合考慮，吸附時間30 min為最佳。

2.2.2 ?吸附劑投加量對亞甲基藍去除率的影響

配置7份50 mL30 mg/L的亞甲基藍溶液，分別向其中加入0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7g針鐵礦，于25 ℃，150 r/min振蕩30 min，4 500 r/min下離心分離10 min，測定其吸光度，數據如圖4。

從圖4可以看出，針鐵礦投加量增加，亞甲基藍的去除率總體上呈上升趨勢，投加量為0.1 g時，去除率為43.0%，投加量為0.4 g時，去除率達到88.2%，在0.1～0.3 g范圍內，去除率顯著增加，這是因為增加吸附劑的量，吸附質和吸附劑表面接觸的機會增加，投加量繼續增加，去除率趨于穩定。

2.2.3 ?亞甲基藍初始濃度對其吸附的影響

分別向50 mL不同濃度的亞甲基藍溶液中加入0.2 g針鐵礦，在25 ℃，150 r/min振蕩30 min，4 500 r/min下離心分離10 min，測定其吸光度，數據如圖5。

由圖5可見，亞甲基藍初始濃度增加，去除率呈下降趨勢，10 mg/L的亞甲基藍溶液去除率為89.3%，60 mg/L亞甲基藍溶液中去除率下降到68.7%，這是因為溶液初始濃度增加，單位質量的亞甲基藍和針鐵礦表面接觸的機會減少。

2.2.4 ?溫度對亞甲基藍去除率的影響

分別向50 mL 10 mg/L亞甲基藍溶液中加入等質量的針鐵礦，分別在不同溫度，150 r/min振蕩30 min，4 500 r/min下離心分離10 min，測其吸光度，數據見表1。

由表1可以看出，溫度增加，亞甲基藍去除率呈輕微增加的趨勢，對于10 mg/L的亞甲基藍，溫度從25 ℃升高到45 ℃，去除率僅增加4.08%，溫度對吸附的影響效果較小。

2.2.5 ?吸附等溫線

對實驗數據進行了粒子內擴散模型的擬合，擬合結果見表5。由表5可見，擬合的相關系數較小，且擬合曲線并不經過原點，這意味著顆粒內擴散不是亞甲基藍在針鐵礦上吸附機理的速率決定步驟，而是由兩個或多個步驟控制，該模型表明亞甲基藍在針鐵礦上的吸附屬于動態吸附行為，其擴散機制符合多級過程，并且，隨著溫度的增加，粒子內擴散速率常數逐漸增大，說明升溫有利于提高吸附速率。此外，參數C與邊界層的厚度有關，在本研究中，C值較高，這表明針鐵礦對亞甲基藍具有很高的吸附潛力，也就意味著邊界層擴散也很重要。

3 ?結論

本論文以人工合成的針鐵礦為吸附劑，吸附處理亞基甲藍模擬廢水，討論了多個因素對針鐵礦吸附亞甲基藍的影響，得出以下結論：

（1）隨著時間增加，針鐵礦吸附亞甲基藍的量增大，吸附平衡時間為30 min。（2）亞甲基藍的去除率隨吸附劑投加量的增大而增加，對于50 mL 30 mg/L的亞甲基藍溶液，加入0.4 g針鐵礦，去除率可達88.2%。（3）針鐵礦對亞甲基藍的吸附受溫度影響較小。（4）針鐵礦對亞甲基藍的吸附可以用Langmuir模型擬合且為優惠吸附。（5）針鐵礦對亞甲基藍的吸附符合準二級動力學方程，粒子內擴散并不是針鐵礦吸附亞甲基藍的速率決定步驟，隨著溫度的增加，吸附速率加快。

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