改性玉米秸稈活性炭制備及其對模擬廢水的脫色性能

張偉光，張鑫庚，梁繼宏，邢 進，邸 凱

（1.齊齊哈爾大學化學與化學工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學食品與生物工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006；3.齊齊哈爾大學圖書館，黑龍江齊齊哈爾 161006）

印染廢水具有毒性大、色度高、難降解等特點［1］，如果不處理直接排入水體會產(chǎn)生嚴重的環(huán)境問題［2］，如水生植物光合作用和生長被抑制、水的透光性和溶解氧含量降低、水生生態(tài)系統(tǒng)被破壞等［3］。生物質(zhì)主要有木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，在高溫厭氧條件下通過裂解生成活性炭［4］，活性炭是高度芳構(gòu)化的碳質(zhì)材料［5］。活性炭具有發(fā)達的孔徑結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、豐富的表面官能團［6-7］，且理化性質(zhì)穩(wěn)定，吸附和抗氧化能力強［8］，可作為高效吸附劑處理印染廢水。活性炭吸附法具有操作簡單［9］、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好等優(yōu)點［10-11］。玉米在我國種植面積較大，其秸稈含碳量高、灰分少，因此可以玉米秸稈為原料制備活性炭。本實驗制備改性玉米秸稈活性炭，并研究其對亞甲基藍模擬廢水的脫色性能。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：玉米秸稈（產(chǎn)自黑龍江齊齊哈爾），碳酸氫鉀、氫氧化鈉（天津市科密歐化學試劑有限公司），亞甲基藍（遼寧省沈陽市化工廠）。

儀器：多段程序控溫管式電阻爐（鄭州科佳電爐有限公司），722 型分光光度計（上海精密儀器廠），ZD-2A 型自動電位滴定儀（南京科環(huán)分析儀器有限公司），pHS-25 型酸度計（上海精密科學儀器有限公司），HH-100 加熱型恒溫混勻儀（杭州佑寧儀器有限公司），標準檢驗篩（新鄉(xiāng)市高服篩分機械有限公司），F(xiàn)Z102 微型植物粉碎機（蘇州江東精密儀器有限公司），H1850高速離心機（湖南湘儀儀器有限公司）。

1.2 改性玉米秸稈活性炭的制備［10，12］

將玉米秸稈用清水洗干凈，切成小塊后干燥并粉碎，在管式電阻爐中500 ℃炭化3 h，過0.15 mm 篩后得到玉米秸稈活性炭。

將一定量活化劑碳酸氫鉀加入去離子水中，充分攪拌溶解后，在不同浸漬比下加入一定量玉米秸稈活性炭，攪拌均勻后于105 ℃干燥24 h，置于管式電阻爐，在N2保護下以5 ℃/min 升溫至500 ℃，保溫2 h 進行炭化活化，冷卻后取出，粉碎至80～150 目儲存，備用。

1.3 模擬廢水的制備及pH 調(diào)節(jié)

準確稱取0.2 g 亞甲基藍于1 L 容量瓶中，定容至刻度，搖勻即為模擬廢水，用燒杯取150 mL，用10%的氫氧化鈉溶液和0.1 mol/L 的鹽酸調(diào)節(jié)pH。

1.4 吸附脫色實驗

向模擬廢水中加入一定量改性玉米秸稈活性炭，使用自動電位滴定儀控制pH，采用加熱型恒溫混勻儀控制溫度并振蕩，離心分離后得到上清液，在染料最大吸收波長處測定吸光度，計算脫色率：

式中，A0、A分別為處理前后模擬廢水的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)

改性玉米秸稈活性炭的比表面積為887.6 m2/g，微孔比表面積為563.7 m2/g，總孔容為0.671 cm3/g，微孔孔容為0.396 cm3/g，平均孔徑為2.97 nm。

由圖1 可知，吸附前改性活性炭呈密集的孔狀結(jié)構(gòu)，孔的大小比較均勻，具有一定的吸附能力；吸附后改性活性炭的小孔吸附了廢水中的物質(zhì)，可以達到凈化廢水的目的。

圖1 改性活性炭吸附前后的掃描電鏡圖

2.2 脫色率的影響因素

2.2.1 活化劑與改性活性炭質(zhì)量比

由圖2 可知，活化劑與改性活性炭質(zhì)量比增大時，脫色率也逐漸增大，當質(zhì)量比超過2.0 時，脫色率開始下降。原因是隨著活化劑與改性活性炭質(zhì)量比的不斷增大，改性活性炭顆粒內(nèi)部形成的微孔增多，當質(zhì)量比增大到一定值時，過量的活化劑容易結(jié)塊，堵住了已形成的微孔［13-14］，導(dǎo)致脫色率降低。

圖2 活化劑與改性活性炭質(zhì)量比對脫色率的影響

2.2.2 改性活性炭用量

由圖3 可知，當改性活性炭用量增加時，脫色率增大，當用量超過0.65 g/L 后，脫色率呈緩慢下降趨勢。這是因為隨著改性活性炭用量的增加，吸附能力快速增強，但改性活性炭用量較多時容易發(fā)生聚集，導(dǎo)致吸附能力下降。故改性活性炭用量選擇0.65 g/L。

圖3 改性活性炭用量對脫色率的影響

2.2.3 溫度

由圖4 可知，脫色率隨著溫度的升高開始增大，超過35 ℃后又逐漸降低。原因是溫度升高，分子熱運動變得劇烈，使改性活性炭外表面的吸附速度加快；而溫度過高會導(dǎo)致亞甲基藍從改性活性炭中解析出來，脫色率下降。

圖4 溫度對脫色率的影響

2.2.4 pH

由圖5 可以看出，脫色率隨著pH 的增大而增大，當pH 大于9 時，脫色率趨于穩(wěn)定。在堿性條件下，改性活性炭能吸附OH-，負電荷可以包圍改性活性炭顆粒，亞甲基藍在水中帶正電荷，因此增大了改性活性炭的吸附能力。

圖5 pH 對脫色率的影響

2.2.5 吸附時間

吸附時間對脫色率的影響見圖6。

圖6 吸附時間對脫色率的影響

由圖6 可知，吸附時間在90～150 min 時，隨著吸附時間的延長，脫色率增大較快；吸附時間超過180 min 后，脫色率曲線變化較平緩，基本達到吸附平衡狀態(tài)，脫色率不再增大。

2.3 正交實驗

由表1 可知，改性玉米秸稈活性炭對模擬廢水脫色率的影響因素從主到次依次為改性活性炭用量、活化劑與改性活性炭質(zhì)量比、吸附時間、溫度、pH；優(yōu)化脫色工藝為A3B3C2D3E3，即活化劑與改性活性炭質(zhì)量比2.0、改性活性炭用量0.65 g/L、溫度35 ℃、pH=9、吸附時間180 min。采用優(yōu)化工藝進行3 次平行實驗，脫色率分別為94.37%、94.58%、93.89%，平均脫色率為94.28%，與正交實驗相符。

表1 L16（45）正交實驗表

3 結(jié)論

改性玉米秸稈活性炭對亞甲基藍模擬廢水脫色的優(yōu)化工藝為：活化劑與改性活性炭質(zhì)量比2.0、改性活性炭用量0.65 g/L、溫度35 ℃、pH=9、吸附時間180 min，平均脫色率為94.28%。