高爐渣吸附亞甲基藍的性能研究

李昌新，喻源，張慶武，朱桂明，郁穎蕾

(1.南京工業大學 安全科學與工程學院，江蘇 南京 211816；2.江蘇省安全生產科學研究院，江蘇 南京 211816)

目前，亞甲基藍染料廢水脫色處理主要有：吸附法、化學法和生物法[1-4]。由于吸附法具有成本較低、工藝簡單、操作方便、無二次污染、適用范圍廣等特點而備受關注。高爐渣( BFS) 是高爐煉鐵過程中形成的副產品，為多孔質硅酸鹽材料，具有一定的吸附性能。目前，國內外學者進行了大量的以高爐渣吸附無機磷及重金屬離子的相關研究[5-7]，但針對亞甲基藍染料的吸附研究報告較少。本文以高爐渣為吸附劑，研究了高爐渣用量、吸附時間、吸附pH值、吸附溫度等對高爐渣吸附亞甲基藍的性能影響，并探究了高爐渣對亞甲基藍的吸附動力學和吸附等溫線。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

亞甲基藍(純度98%)，分析純；高爐渣，取自江蘇某鋼鐵股份公司，其主要化學成分見表1。高爐渣主要由CaO、SiO2和Al2O3等物質組成。

表1 高爐渣的主要化學組成

由表1可知，高爐渣吸附劑具有疏松多孔的特點，表面較為粗糙，且分散性較好，有利于作為吸附劑吸附去除亞甲基藍染料。

Axios X射線熒光光譜儀；Regulus8100掃描電子顯微鏡；S22可見分光光度計。

1.2 實驗方法

稱取0.3 g高爐渣樣品置于250 mL錐形瓶中，加入100 mL一定濃度亞甲基藍溶液，在設定溫度下以200 r/min振蕩，振蕩過程中分別測定在不同時間下上清液中亞甲基藍濃度，根據式(1)計算高爐渣材料對亞甲基藍的吸附容量：

(1)

式中q——吸附容量，mg/g；

C0——亞甲基藍溶液的初始濃度，mg/L；

Ce——吸附后亞甲基藍溶液的平衡濃度，mg/L；

V——溶液體積，mL；

m——高爐渣的質量，g。

1.3 表征方法

采用X射線熒光光譜儀分析高爐渣化學成分，采用掃描電子顯微鏡分析高爐渣微觀形貌，溶液中亞甲基藍濃度的分析采用分光光度法，于665 nm波長處，用10 mm比色皿，以蒸餾水為參比，測定吸光度并計算濃度。

2 結果與討論

2.1 吸附時間對吸附性能的影響

控制吸附實驗條件為：吸附溫度25 ℃，吸附pH值7.0，高爐渣用量3.0 g/L，吸附時間對高爐渣吸附亞甲基藍的吸附容量的影響見圖1。

由圖1可知，隨著初始濃度的增加，高爐渣對亞甲基藍的吸附容量逐漸增加，且當亞甲基藍初始濃度<100 mg/L時，隨著初始濃度的增加，吸附容量的增加幅度較大，當亞甲基藍初始濃度>100 mg/L 時，繼續增加初始濃度，吸附容量的增加幅度變小，初始濃度從60 mg/L升至120 mg/L時，平衡吸附容量從6.9 mg/g增至10.6 mg/g。另外，當吸附時間增加到180 min時，亞甲基藍的吸附容量明顯增大，而當吸附時間>180 min 后，繼續增大吸附時間，亞甲基藍的吸附容量趨于平衡狀態。分析其原因認為，吸附初始階段此時吸附主要發生在高爐渣表面；隨著吸附得進行，吸附受擴散控制，主要發生在高爐渣孔內表面，且吸附活性位置基本被占據，空余活性位較少，因此吸附速率逐漸減慢[8]。當吸附時間>180 min后，繼續增大吸附時間，高爐渣對于亞甲基藍的吸附容量變化趨于平衡狀態，因此，選取吸附時間為180 min。

圖1 吸附時間對高爐渣吸附容量的影響

2.2 吸附pH值對吸附性能的影響

控制吸附實驗條件為：吸附溫度25 ℃，亞甲基藍初始濃度100 mg/L，吸附時間180 min，高爐渣用量3.0 g/L，反應pH值對高爐渣吸附亞甲基藍吸附容量的影響見圖2。

圖2 反應pH值對高爐渣吸附容量的影響

由圖2可知，反應pH值對高爐渣吸附容量影響非常顯著，隨著pH值的增大，高爐渣對亞甲基藍的吸附容量先增大后減少。探究其原因，主要是因為：一方面，當pH值較低(pH<6.0)時，H+與吸附質對礦物的吸附點位存在競爭，而pH值增加時，溶液中H+數量降低，其與吸附質之間的競爭逐漸減弱。另一方面，當 pH>8.0后，隨著pH值的升高，高爐渣的主要成分為鈣、鋁、鎂、鐵等物質，在溶液中形成金屬氫氧化物附著在高爐渣的表面，從而對亞甲基藍的吸附產生影響[9-10]。因此，在吸附過程中應充分考慮吸附體系的pH值，考慮實際應用，在本實驗中將反應pH值控制在6.0～8.0較為適宜。

2.3 初始濃度對吸附性能的影響

控制吸附實驗條件為吸附pH值7.0，吸附時間180 min，高爐渣用量3.0 g/L，初始濃度對高爐渣吸附亞甲基藍的吸附容量的影響見圖3。

圖3 反應初始濃度對高爐渣吸附容量的影響

由圖3可知，隨著初始濃度增加，高爐渣對亞甲基藍的吸附容量也不斷增加，這是由于初始濃度的提高引起溶液本身與材料表面濃度梯度的增大，促進了吸附質向礦物內部遷移并使離子交換反應動力增大。同時，吸附溫度的升高有利于吸附過程的進行，表明其為吸熱過程。另外，溶液的黏度隨著溫度的升高而降低，有利于吸附質向內部孔道的擴散[11]。

2.4 吸附動力學

以準一級動力學方程和準二級動力學方程對高爐渣吸附亞甲基藍的吸附數據進行擬合，相關動力學參數見表2。

表2 不同初始濃度下高爐渣吸附過程動力學方程擬合參數

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

(2)

(3)

式中qt、qe——吸附t時和吸附平衡時吸附量，mg/g；

k1——準一級吸附速率常數，min-1；

k2——準二級吸附速率常數，g/(mg·min)。

由表2可知，相比而言，準二級動力學方程的線性相關系數(R2)均大于0.99，且理論值qe和實驗值更為接近，表明準二級動力學模型可以更好地描述高爐渣對亞甲基藍的吸附行為。

2.5 等溫吸附模型

采用Langmuir和Freundlich兩種模型研究了在等溫條件下，高爐渣對溶液中亞甲基藍的等溫吸附過程。

(4)

(5)

式中Ce——吸附平衡時溶液中吸附質濃度，mg/L；

qe——平衡吸附容量，mg/g；

q0——吸附質的單層最大吸附容量，mg/g；

KL——Langmuir等溫吸附常數，L/mg；

KF——Freundlich等溫吸附常數，(mg·g-1)(L·g-1)n；

由表3可知，在不同溫度下Langmuir吸附等溫線方程的線性相關系數(R2)均大于 0.99，因此，相較而言高爐渣對亞甲基藍的吸附行為更符合Langmuir等溫吸附規律，且隨著吸附溫度的增加，q0和KL值均不同程度的升高，再次說明亞甲基藍在高爐渣上的吸附是吸熱的過程，提高吸附溫度有利于吸附的進行。

表3 不同溫度下吸附過程Langmuir和Freundlich等溫方程擬合參數

3 結論

(1)以高爐渣吸附亞甲基藍的實驗研究表明，高爐渣對亞甲基藍的吸附容量與吸附pH值、初始濃度、吸附溫度等因素緊密相關，吸附過程中反應pH值控制在6.0～8.0較為適宜，且高爐渣吸附亞甲基藍的吸附速度較快，在180 min即可達到吸附平衡狀態。

(2)高爐渣吸附亞甲基藍的過程符合準二級動力學模型和Langmuir吸附等溫線模型，且吸附過程為吸熱過程。