梔子花葉對(duì)水體中剛果紅染料的吸附及其動(dòng)力學(xué)研究

程艷燕，李輝容

（綿陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621000）

剛果紅屬于典型的聯(lián)苯胺類(lèi)偶氮染料，是印染廢水中代表性較強(qiáng)的污染物之一[1]。常用的染料廢水處理方法包括化學(xué)混凝、吸附、氧化、離子交換等，其中吸附法應(yīng)用較廣。而活性炭的發(fā)達(dá)多孔結(jié)構(gòu)和比表面積大被認(rèn)為是一個(gè)通用的吸收劑，常用于去除水中各種污染物，但由于其生產(chǎn)成本高且再生困難，從而使用受到了限制。研究表明，生物材料的吸附由于其成本低廉，近年來(lái)已成為一個(gè)重要的研究課題。如Bhattacharyya等[2]以天然楝樹(shù)成熟葉片為原料，研制了一種新型吸附劑。張敬華等[3]以花生殼為生物吸附劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)花生殼對(duì)羅丹明B有良好的吸附作用。Namasivayam等[4]將香蕉皮處理后用于吸附酸性艷藍(lán)染料，探究不同變量對(duì)染料的吸附規(guī)律。黨艷等[5]研究了蕎麥皮生物吸附去除羅丹明B染料的影響因素。本論文以梔子花葉為吸附劑，經(jīng)甲醛去掉色素，探究其對(duì)水溶液中剛果紅陰離子染料的吸附性能，不僅為水溶液中剛果紅染料的處理提供了一種方法，還實(shí)現(xiàn)了林業(yè)廢棄物的資源化使用。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與試劑

試劑：剛果紅為分析純，購(gòu)于天津市福晨化學(xué)試劑廠(chǎng)；甲醛溶液為分析純，購(gòu)于成都科龍化工試劑廠(chǎng)。

儀器設(shè)備：EVO-18掃描電鏡（SEM），上海歐波同儀器有限公司；FTIR-8400紅外光譜儀（FT-IR），日本島津公司；T6紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（UV-Vis），北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。PS-20AL超聲波清洗機(jī)，深圳市潔康洗凈電器有限公司。DXF-04C密封型手提式粉碎機(jī)，廣州市大祥電子機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.2 復(fù)合材料的制備

于綿陽(yáng)師范學(xué)院北校區(qū)采集梔子花葉，洗滌后自然風(fēng)干，放在75 ℃烘箱中烘干，粉碎后過(guò)40目篩，儲(chǔ)存在干燥的試劑瓶中備用。稱(chēng)取15 g梔子花葉粉末加入 150 mL 0.1 mol/L 的 H2SO4，并加入 7.5 mL甲醛除掉色素，最后的混合物在50 ℃下攪拌加熱24～48 h，直到混合物變成濃漿。用去離子蒸餾水洗滌至中性為止，高速離心機(jī)離心，放在恒溫60 ℃烘箱里烘干，粉碎成粉末狀，過(guò)200目篩，置于干燥的試劑瓶中，備用。

1.3 吸附實(shí)驗(yàn)

取一定量的吸附劑（0.02 g、0.04 g、0.06 g、0.08 g、0.10 g、0.12 g和 0.14 g），加入 25.00 mL 濃度為 50 mg/L的剛果紅溶液，常溫振蕩2 h后，采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定吸附后溶液中剛果紅濃度，根據(jù)公式1計(jì)算出吸附劑的吸附率R。

式中，R為吸附率；C0為染料初始濃度，mg/L；C0和Ce為剛果紅溶液初始濃度和吸附后的濃度，mol/L；V是溶液的體積，L；m是吸附劑的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 掃描電鏡分析

梔子花葉吸附劑的掃描電鏡如圖1所示，可以看出吸附劑表面呈現(xiàn)不規(guī)則的條狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)約100～400 μm，寬約40 μm，表面上縱橫分布著許多凹槽和微小細(xì)孔，說(shuō)明該物質(zhì)具有一定的吸附性能。

2.2 梔子花葉吸附剛果紅染料的性能分析

2.2.1 吸附劑投加量的影響

從圖2中可以看出，吸附率隨吸附劑投加量的增加而不斷增大，當(dāng)吸附劑的投加量大于4.0 g/L時(shí)，吸附率開(kāi)始下降，這可能是由于吸附劑投加量增加，梔子花葉吸附劑在剛果紅染料中的濃度過(guò)大，導(dǎo)致吸附劑粒子團(tuán)聚，在一定程度上減小了吸附劑的比表面積，從而使吸附率降低[6]。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)中確定最佳的吸附劑用量為3.2 g/L。

圖1 梔子花葉的掃描電鏡圖

圖2 吸附劑投加量對(duì)吸附率的影響

2.2.2 吸附時(shí)間的影響

從圖3可以看出，梔子花葉吸附劑在前80 min對(duì)剛果紅的吸附較快，吸附率為88.06%，這可能是剛果紅染料受吸附劑靜電引力作用，經(jīng)溶液主體擴(kuò)散到吸附劑表面，染料濃度為主要的速率控制要素，隨著顆粒表面的吸附容量趨于飽和，速率控制因素轉(zhuǎn)變?yōu)榭椎罃U(kuò)散，交換的動(dòng)力變?nèi)酰具_(dá)到了飽和吸附容量，吸附處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，吸附率基本保持不變[7]。因此，吸附時(shí)間取80 min為宜。

圖3 吸附時(shí)間對(duì)吸附率的影響

2.2.3 pH的影響

從圖4可以看出，隨著溶液pH值的增大，梔子花葉吸附劑對(duì)剛果紅的吸附率是先增加后降低，當(dāng)pH為7～9時(shí)，吸附率變化很小。因此，后續(xù)的試驗(yàn)直接將剛果紅溶于去離子水中。

圖4 溶液pH的影響

2.2.4 吸附動(dòng)力學(xué)分析

為探討復(fù)合吸附劑對(duì)剛果紅染料吸附的動(dòng)力學(xué)特征，在溫度為35 ℃，剛果紅溶液的初始濃度為100 mg/L，梔子花吸附劑量為2.4 g/L的條件下，測(cè)定吸附量qt隨時(shí)間t的變化情況。利用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)與準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型[8]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，模型方程如式2、式3所示。

式中，qe為吸附平衡時(shí)單位質(zhì)量吸附劑吸附染料溶液的吸附量，mg/g；qt為t時(shí)刻單位質(zhì)量吸附劑吸附染料溶液的吸附量，mg/g；k1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型吸附反應(yīng)速率常數(shù)，min-1；k2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型吸附反應(yīng)速率常數(shù)，g/（mg·min）。

利用上述兩種模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得動(dòng)力學(xué)方程的參數(shù)如表1所示。從表中可以看出，梔子花吸附劑對(duì)剛果紅染料的吸附動(dòng)力學(xué)模型更符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

表1 梔子花吸附劑動(dòng)力學(xué)方程參數(shù)

2.2.5 吸附等溫模型分析

梔子花吸附劑對(duì)剛果紅染料吸附等溫線(xiàn)數(shù)據(jù)分別采用Freundich和Langmuir方程對(duì)吸附等溫模型進(jìn)行擬合[9]，模型方程分別如式4、式5所示。

（式中，kF為Freundlich常數(shù)，g/mg；N為與溫度有關(guān)的常數(shù)，n＞1時(shí)為優(yōu)惠吸附；qe為平衡吸附量，mg/g；Ce為相應(yīng)平衡濃度，mg/L；qm為單分子層飽和吸附量，mg/g；KL為L(zhǎng)angmuir常數(shù)，L/mg。

分別通過(guò)上述兩種模型擬合梔子花吸附劑剛果紅染料對(duì)剛果紅的吸附等溫方程參數(shù)如表2所示。從中可以看出，F(xiàn)reundich方程擬合得到的R2為0.990 7，大于Langmuir方程擬合結(jié)果，說(shuō)明梔子花葉吸附劑對(duì)剛果紅的吸附更加符合Freundich模型，這種吸附并不是單層吸附，而是物理吸附和化學(xué)吸附同時(shí)存在。

表2 梔子花吸附劑的吸附等溫方程參數(shù)

3 結(jié)論

梔子花葉采用硫酸預(yù)處理和甲醛除掉色素后，處理一定濃度的剛果紅染料模擬廢水。結(jié)果表明，梔子花葉最佳吸附pH為7，吸附時(shí)間為80 min，梔子花葉投加量為3.2 g/L，吸附率達(dá)85.93%。吸附動(dòng)力學(xué)研究表明，梔子花葉對(duì)剛果紅的吸附過(guò)程更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，屬于化學(xué)吸附。梔子花葉吸附劑對(duì)剛果紅染料吸附遵循Freundlich等溫方程，表明這種吸附不是單層吸附。