香蕉葉活性炭的制備及其對亞甲基藍的吸附性能

賴曉琳，黃明強，張 剛

（1.漳州衛(wèi)生職業(yè)學院藥學系，福建漳州 363000；2.閩南師范大學化學化工與環(huán)境學院福建省現(xiàn)代分離分析科學與技術(shù)重點實驗室，福建漳州 363000）

隨著科技和工業(yè)的發(fā)展，染料廢水帶來的環(huán)境問題越發(fā)受到重視。據(jù)資料顯示，每年染料總產(chǎn)量超過70 萬t，約有2%的染料在生產(chǎn)過程中被直接排放，10%～15%未被利用的染料直接進入水體［1］。染料毒性高、降解性差、結(jié)構(gòu)復雜，在水中溶解度高，嚴重危害人體健康［2］。亞甲基藍（MB）作為一種芳香族有機化合物染料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)［3］、外科治療［4］、化學［5］等領(lǐng)域，若不經(jīng)處理直接排放到水中將會引起嚴重的環(huán)境污染。因此，尋找一種經(jīng)濟有效的處理含MB廢水的方法十分重要。有機染料廢水處理方法分為物理化學法、化學法和生物法，物理化學法又分為萃取法、膜分離法和吸附法［6］。吸附法操作簡單、脫色效率好且無副產(chǎn)品，是最常用的染料廢水處理方法［7］。活性炭作為一種多孔材料被稱為“萬能吸附劑”，其性能與原料、制備方法有很大關(guān)系。近年來，國內(nèi)外利用茶葉［8］、咖啡殼［9］和椰子樹葉［10］等農(nóng)林廢棄物制備的生物質(zhì)炭具有一定的吸附性能，價格低廉、綠色無毒。在此基礎(chǔ)上仍需努力探尋一種原料來源更廣泛、吸附效果更好的生物質(zhì)吸附劑。

香蕉是漳州市的高產(chǎn)農(nóng)作物，會產(chǎn)生75%左右的莖葉副產(chǎn)物，若不合理利用，不僅影響蕉園環(huán)境，也會造成資源浪費［11］。本研究以香蕉葉為原料，KOH為活化劑制備香蕉葉活性炭（BLAC），比較其與商品活性炭（CAC）在表面形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)及吸附能力等方面的差異，并以MB 溶液模擬染料廢水進行活性炭吸附實驗，研究其吸附類型。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：提取縮合單寧后的香蕉葉廢渣，氫氧化鉀、濃鹽酸、亞甲基藍（分析純，西隴化工股份有限公司），去離子水。

儀器：FA1004 電子分析天平（紹興市景邁儀器設(shè)備有限公司），SHA-C 恒溫水浴振蕩器（金壇市新航儀器廠），T6 型紫外-可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司），BJ-150 中藥粉碎機（德清拜杰電器有限公司），101-1A 立式電熱恒溫鼓風干燥箱（天津通利信達儀器廠），SX 箱式電阻爐（上海實驗儀器廠有限公司），ProX 臺式掃描電子顯微鏡（荷蘭飛納），JW-BK112 比表面積及孔徑分析儀（北京精微高博科學技術(shù)有限公司），Xpert3 X 射線衍射儀（美國CEM 公司）。

1.2 香蕉葉活性炭的制備

香蕉葉廢渣在110 ℃下烘至恒重，與KOH 混合（質(zhì)量比5∶1），加入一定量去離子水混勻，700 ℃高溫煅燒90 min，用2 mol/L HCl和水洗至中性，再110 ℃干燥至恒重，過200目篩，保存于干燥器中備用。

1.3 吸附實驗

精確稱取0.05 g BLAC 于150 mL 具塞錐形瓶中，加入100 mL MB 溶液，303 K 下吸附2 h后過濾。

1.3.1 吸附等溫線

等溫吸附模型可以用來分析吸附劑與吸附質(zhì)之間的相互作用［12］，也可用來計算吸附劑對吸附質(zhì)的飽和吸附量。Freundlich 等溫模型主要描述非均相和多層吸附過程，表達式［13］為：

式中，ρe為MB 的平衡質(zhì)量濃度，mg/L；qe為平衡吸附量，mg/g；KF為Freundlich 等溫吸附模型常數(shù)；n為無因次參數(shù)。

Langmuir 等溫模型主要描述均相單層吸附過程，表達式［14］為：

式中，ρ0為MB 的初始質(zhì)量濃度，mg/L；ρe為MB 的平衡質(zhì)量濃度，mg/L；qe為平衡吸附量，mg/g；qm為飽和吸附量，mg/g；KL為Langmuir 等溫吸附模型常數(shù)；RL為Langmuir模型無量綱常數(shù)。

1.3.2 吸附動力學

采用兩種動力學模型擬合實驗數(shù)據(jù)。準一級動力學模型最初由Lagergren和Svenska［15］提出，表達式為：

式中，qe為平衡吸附量，mg/g；qt為t時刻的吸附量，mg/g；k1為準一級吸附速率常數(shù)。

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準二級動力學模型［16］表達式為：

式中，qe為平衡吸附量，mg/g；qt為t時刻的吸附量，mg/g；k2為準二級吸附速率常數(shù)。

1.4 測試

表面形態(tài)：采用掃描電子顯微鏡觀察。

比表面積：采用比表面積及孔徑分析儀測定。

晶體結(jié)構(gòu)：采用X 射線衍射儀進行分析。

吸附量：采用紫外-可見分光光度計在653 nm 下測定濾液中亞甲基藍的質(zhì)量濃度，按照下式計算吸附量q：

式中，ρ0為MB 的初始質(zhì)量濃度，mg/L；ρt為吸附t時刻MB 的質(zhì)量濃度，mg/L；V為MB 的溶液體積，L；m為香蕉葉活性炭的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 香蕉葉活性炭的表征

由圖1a 可知，BLAC 具有非常發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，表面分布少量的大孔及許多均勻的小圓孔。孔隙主要由基質(zhì)與活化劑氧化反應(yīng)生成的CO 和CO2逸出產(chǎn)生［17］，這種多孔結(jié)構(gòu)增加了材料的比表面積，擴大了材料的吸附活性位點，使MB 更容易被BLAC 吸收。由圖1b 可知，CAC 表面分布著一些大小、形狀不一的孔隙及溝槽，孔隙結(jié)構(gòu)不如BLAC 發(fā)達。

圖1 BLAC(a)和CAC(b)的掃描電鏡圖

2.1.2 比表面積

由圖2 可知，隨著相對壓力增加，低壓區(qū)吸附量明顯增加，中壓區(qū)吸附量趨于穩(wěn)定，高壓區(qū)吸附量有所增加。根據(jù)IUPAC 分類，兩條等溫線均為具有吸附滯后的Ⅳ型。

圖2 BLAC(a)和CAC(b)的氮氣吸附-解吸等溫線

從表1 中可以看出，BLAC 和CAC 的平均孔徑分別為2.389、2.353 nm，BET比表面積分別為1 257.852、797.862 m2/g，BLAC 的比表面積是CAC 的1.58倍。

表1 活性炭樣品的BET 比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1.3 X 射線衍射

由圖3 可知，CAC 在2θ=25.39°、44.47°處有兩個強衍射尖峰，對應(yīng)石墨的(002)(100)晶面［18］；BLAC 在2θ=25.39°處出現(xiàn)了一個較寬的衍射峰，在2θ=44.47°處出現(xiàn)了一個較弱的尖峰，說明BLAC 為無定形結(jié)構(gòu)，有利于形成發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，提供更多的吸附位點，提高吸附能力［19］。

圖3 BLAC(a)和CAC(b)的X 射線衍射圖譜

2.2 吸附量

當MB 初始質(zhì)量濃度為200 mg/L 時，BLAC 的吸附量為398.86 mg/g，CAC 的吸附量為240.00 mg/g。這個結(jié)果與SEM、比表面積、XRD 分析結(jié)果一致。

2.3 吸附等溫線

由圖4 可以看出，F(xiàn)reundlich 等溫吸附模型擬合曲線的R2為0.920 9，Langmuir 等溫吸附模型擬合曲線的R2為0.999 1，說明BLAC 吸附MB 的過程更加符合Langmuir 等溫吸附模型，以單分子層吸附為主。在Langmuir 等溫吸附模型中，當RL=0 時，吸附過程不可逆；當RL為0～1 時，有利于吸附，且越大越好；當RL=1時，吸附過程是線性的；當RL大于1 時對吸附過程不利［20］。計算知RL為0～1，說明吸附質(zhì)與吸附劑之間具有較強的親和力，303 K 時，BLAC 對MB 的飽和吸附量可達578.03 mg/g。

圖4 Freundlich(a)和Langmuir(b)等溫吸附模型的擬合結(jié)果

2.4 吸附動力學

由圖5、圖6可看出，準一級動力學模型擬合曲線的R2為0.904 5，準二級動力學模型擬合曲線的R2為0.999 9，說明BLAC 吸附MB 的過程更符合準二級動力學模型，平衡吸附量的實驗值qe，exp為396.86 mg/g，和理論值qe，cal（398.40 mg/g）十分接近，說明BLAC 對MB 的吸附以化學吸附為主。

圖5 準一級動力學方程擬合曲線

圖6 準二級動力學方程擬合曲線

3 結(jié)論

（1）以香蕉葉為原料，通過KOH活化制備的BLAC具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)，為無定形結(jié)構(gòu)，BET 比表面積為1 257.852 m2/g，總孔體積為0.718 cm3/g。

（2）當溫度為303 K 時，BLAC 對MB 的飽和吸附量為578.03 mg/g。

（3）BLAC 對MB 的吸附過程更符合Langmuir 等溫線模型和準二級動力學模型，說明BLAC 對MB 的吸附過程主要是基于單分子層的化學吸附。