改性活性炭對染料甲基橙的吸附性能研究

林迪， 郭宇， 賈世宇， 李海波， 趙若含， 楊回歸

（遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧錦州 121001）

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，大量的重金屬離子和有機(jī)染料分子等污染物被排放到環(huán)境中，導(dǎo)致了環(huán)境的嚴(yán)重污染。 吸附法因其操作簡單、去除效率高等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于水體污染物的處理領(lǐng)域[1,2]。

以前所使用的吸附劑材料主要有沸石分子篩、活性炭、氧化石墨烯、殼聚糖等[3～5]。 其中，活性炭是一種具有比表面積大、堆積密度低和孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)等特點(diǎn)的多孔碳材料，其成本低廉、原料易獲取，被廣泛應(yīng)用在水體凈化、脫色、除味和降低COD 等方面[6，7]。 然而，單純活性炭的吸附能力和吸附容量有限。 因此，研究者通過對活性炭進(jìn)行改性，調(diào)整其孔道結(jié)構(gòu)和表面的酸堿性，顯著提高了其吸附性能[8,9]。本文主要利用鹽酸對活性炭進(jìn)行改性制備改性活性炭， 并以甲基橙為模擬污染物，研究了改性活性炭對甲基橙的吸附性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料和儀器

活性炭（純度>96%，鞏義市天澤水處理材料有限公司）；甲基橙（分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司）；鹽酸（分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司）；去離子水（自制）。

水浴振蕩器（HZS-HA，哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司）；可見分光光度計(jì)（721G，上海儀電分析儀器制造有限公司）；數(shù)顯pH 計(jì)（PHS-25，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）； 電熱鼓風(fēng)干燥箱（101， 北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）。

1.2 改性活性炭的制備

本實(shí)驗(yàn)采用鹽酸對活性炭進(jìn)行改性。 首先在錐形瓶加入10 g 活性炭，然后再加入100 mL 鹽酸（1 mol/L），于20℃水浴下攪拌6 h 后，用去離子水洗滌至中性、抽濾，在110 ℃干燥箱內(nèi)干燥過夜，得到改性活性炭。

1.3 吸附實(shí)驗(yàn)

稱取若干份一定量的改性活性炭（10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg）， 分別在甲基橙初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70mg/L，吸附溫度為20℃、30℃、40℃，吸附時(shí)間為1h、2 h、4 h、6 h、8 h、10h、12h，振蕩速度為150 r/min 的情況下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。 吸附實(shí)驗(yàn)完成后，進(jìn)行離心分離，然后取上清液進(jìn)行分析。 利用分光光度計(jì)測定其在特征波長（465 nm）下的吸光度，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算溶液中的甲基橙濃度，進(jìn)而分析出甲基橙的去除率E（%）和吸附容量Q(mg/g)。

式中，C0為吸附前甲基橙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg/L），Ce為吸附后甲基橙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg/L），m 為吸附劑用量（g），V 為甲基橙溶液體積（L）。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

分 別 配 制2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L 的甲基橙溶液，以465 nm 為測定波長，用可見光分光光度計(jì)測出各質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的吸光度，以甲基橙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)，各質(zhì)量分?jǐn)?shù)下所測出的吸光度為縱坐標(biāo)繪制出甲基橙溶液的吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1 所示。 從圖1 中可以看出：甲基橙的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.12299 x - 0.00543，其相關(guān)系數(shù)為R2=0.99933。 由甲基橙的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程和相關(guān)系數(shù)可以看出，在所測定的濃度范圍內(nèi)，線性關(guān)系良好。

圖1 甲基橙溶液的吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 改性活性炭的用量對吸附甲基橙性能的影響

在10 個(gè)錐形瓶中分別加入50 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60 mg/L 的甲基橙溶液， 再分別向其中加入不同質(zhì)量（10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg）的未改性的活性炭和鹽酸改性后的活性炭， 在20 ℃及150 r/min 振蕩速度下進(jìn)行吸附試驗(yàn)，12 h 之后取樣， 用分光光度計(jì)測定吸光度并計(jì)算去除率，結(jié)果如圖2 所示。 由圖2 可知： 當(dāng)吸附劑用量小于30 mg 時(shí)，隨著改性活性炭用量的增加，甲基橙的去除率不斷提高；當(dāng)吸附劑用量大于30 mg 時(shí)，甲基橙去除率增幅很小，趨于平衡。 這可能是因?yàn)殡S著吸附劑用量的增加，活性炭提供吸附的活性位點(diǎn)增多，吸附傳質(zhì)動力較大，導(dǎo)致甲基橙分子較容易與活性炭表面的活性位點(diǎn)結(jié)合。 然而，由于甲基橙溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積一定，當(dāng)繼續(xù)增加吸附劑用量時(shí)，甲基橙分子已經(jīng)被吸附到活性炭的活性位點(diǎn)上，達(dá)到吸附平衡。 而且，改性活性炭對于甲基橙的去除效果明顯高于未改性的活性炭。 在吸附劑用量為30 mg 時(shí)，改性活性炭和未改性活性炭對甲基橙去除率分別為93.5% 和72.1%，吸附容量分別為93.5 mg/g 和72.1 mg/g。 這可能是因?yàn)辂}酸對于活性炭改性過程中起到一定的化學(xué)刻蝕作用，能夠有效去除活性炭中的酸溶性物質(zhì)，降低活性炭中灰分，提高活性炭的比表面積，從而能夠顯著提高活性炭的吸附性能[6]。因此，吸附劑用量應(yīng)控制在30 mg 為宜。

圖2 吸附劑用量對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

2.3 甲基橙初始濃度對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（20 mg/L、30mg/L、40mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70 mg/L）的甲基橙溶液置于錐形瓶中， 分別向其中加入30 mg 未改性活性炭和鹽酸改性活性炭， 放入水浴恒溫振蕩器中振蕩，設(shè)置轉(zhuǎn)速為150 r/min，溫度為20℃，12 h 之后取樣、過濾， 用分光光度計(jì)測定其吸光度并計(jì)算去除率，結(jié)果如圖3 所示。 從圖3 中可以看出：當(dāng)甲基橙初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20 mg/L 增加到60 mg/L 時(shí)，鹽酸改性活性炭對甲基橙的吸附容量， 由32.8 mg/g提高至93.5 mg/g。 這是因?yàn)楫?dāng)溶液中甲基橙的濃度提高時(shí)，改性活性炭表面的吸附點(diǎn)位相對甲基橙分子是過量的，可迅速與甲基橙分子發(fā)生吸附作用，吸附容量逐漸提高。 但當(dāng)甲基橙初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)提高至70 mg/L 時(shí)，其改性活性炭的吸附容量提高程度較小， 說明此時(shí)活性炭上的吸附位點(diǎn)逐漸達(dá)到吸附飽和狀態(tài)， 過量的甲基橙分子只能在溶液中處于游離狀態(tài)， 不能被活性炭吸附。 因此，甲基橙的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制為60 mg/L。

圖3 甲基橙的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

2.4 吸附溫度對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

分別稱取30 mg 未改性活性炭和鹽酸改性活性炭加入到50 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60 mg/L 的甲基橙溶液中，將其置于水浴恒溫振蕩器中，在150 r/min振蕩速度下分別在20℃、30℃、40℃時(shí)進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示。 從圖4 中可以看出：隨著吸附溫度增加， 鹽酸改性活性炭和未改性活性炭對甲基橙的吸附容量不斷提高， 分別達(dá)到96.1 mg/g和73.7 mg/g。 這是由于隨著溫度升高， 甲基橙分子的遷移速度加快， 染料廢水溶液的黏度下降，有利于活性炭對甲基橙的吸附。 然而，溫度過高，在實(shí)際應(yīng)用中會增加能耗和操作成本。 因此，吸附溫度應(yīng)控制在40℃為宜。

圖4 吸附溫度對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

2.5 吸附時(shí)間對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

分別稱取30 mg 未改性活性炭和鹽酸改性活性炭加入到50 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60 mg/L 的甲基橙溶液中，將其置于水浴恒溫振蕩器中，在40 ℃及150 r/min 振蕩速度下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，分別在1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10h、12h 取樣、過濾，測定其吸光度并計(jì)算甲基橙的去除率， 結(jié)果如圖5 所示。 從圖5 中可以看出：當(dāng)吸附時(shí)間小于8 h 時(shí)，隨著吸附時(shí)間增加，鹽酸改性活性炭對甲基橙的去除率和吸附容量不斷提高。 這是由于活性炭表面的活性點(diǎn)位相對較多，水溶液中的甲基橙質(zhì)量分?jǐn)?shù)也相對較高，吸附的傳質(zhì)動力較大，甲基橙分子可迅速與活性點(diǎn)位作用， 吸附在96.1 活性炭表面；隨著吸附反應(yīng)過程的進(jìn)行，甲基橙和活性炭吸附劑之間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差漸漸降低，而在之前吸附在活性炭表面的甲基橙分子逐漸通過活性炭中、大孔擴(kuò)散進(jìn)入到微孔結(jié)構(gòu)中，擴(kuò)散速率逐漸變得緩慢[6]。 當(dāng)吸附時(shí)間繼續(xù)提高時(shí)，活性炭對于甲基橙的吸附趨于飽和狀態(tài)， 吸附容量和甲基橙去除率增長緩慢。 當(dāng)吸附時(shí)間為8h 時(shí)，鹽酸改性活性炭和未改性活性炭對甲基橙去除率分別達(dá)到96.1%和79.2%，吸附容量分別達(dá)到96.1mg/g 和79.2mg/g。因此，吸附時(shí)間應(yīng)控制在8h 為宜。

圖5 吸附時(shí)間對鹽酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影響

3 結(jié)論

本文制備的鹽酸改性活性炭甲基橙的吸附能力明顯高于未改性的活性炭。 通過單因素實(shí)驗(yàn)確定了改性活性炭吸附甲基橙的最佳條件為：改性活性炭用量30mg，甲基橙初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)60mg/L，吸附溫度40℃，吸附時(shí)間8 h，鹽酸改性活性炭對甲基橙的去除率可達(dá)到96.1%。