活性炭对水中亚甲基蓝的吸附性能研究

官方网址：活性炭对水中亚甲基蓝的吸附性能研究随着工业化进程的加快，水污染问题日益严重，严重影响了生态环境及人类健康，有效地治理水污染已成为环保工作者关注的热点。染料废水因其组分复杂，有机毒物含量大，色度高，难生物降解，抗光解、抗氧化性强，具有致癌、致畸、致突变等“三致”毒性，给环境带来了严重污染。亚甲基蓝是水溶性偶氮染料的代表性化合物，含这类染料的印染废水排放量大，污染性强，难生物降解。目前国内外在染料废水处理上常用的方法有吸附法、混凝沉淀法、膜分离技术、磁分离技术、电化学法、化学氧化法、光催化降解法、微生物处理法等，与其他处理方法相比，吸附法具有工艺简单、可操作性强、吸附剂种类多，不产生二次污染物等优点，成为处理污水中难生物降解污染物的有效方法。活性炭是一种具有类石墨微晶结构的炭材料，是利用含碳原料经过炭化活化后得到的产品，具有高比表面积、丰富的孔隙结构、较强的吸附能力、多样的表面化学性质等特性，是处理废气，含染料、重金属、非金属等废水的优良吸附剂，广泛应用于化工、医药、环保、食品等领域。本实验探讨了吸附剂用量、吸附时间、温度等反应条件对活性炭吸附亚甲基蓝性能的影响，得到吸附过程的最佳条件，并对活性炭的吸附机理进行了分析，为含亚甲基蓝染料废水的治理提供一定的依据。1实验1．1试剂与仪器本实验使用的试剂为活性炭，亚甲基蓝，实验用水为超纯水。台式恒温振荡器，紫外可见分光光度计，分析天平。1．2实验方法称取一定量活性炭加入装有150mLMB溶液的锥形瓶中，然后放入恒温振荡器中，在一定温度下振荡吸附一段时间，振荡转速为250r/min，振荡结束后官方网址：的滤膜过滤，然后使用紫外-可见分光光度计(吸收波长为668nm)测定滤液中MB的吸光度，最后根据MB溶液标准曲线计算出滤液中MB的浓度。活性炭对MB的去除率、吸附量可由以下公式计算:(1)(2)式中:A为活性炭对MB的去除率;ρ0，ρe分别为MB溶液的初始质量浓度和吸附平衡时的质量浓度，mg/L;qe为吸附平衡时活性炭对MB的吸附量，mg/g;m为活性炭的用量，mg;V为亚甲基蓝溶液的体积，mL。2结果与讨论2．1活性炭用量对MB去除率的影响量取150mL质量浓度为100mg/L的MB溶液6份，分别加入25，50，75，100，125，150mg活性炭在常温条件下反应6h。活性炭用量与MB去除率的关系如图1所示，随着用量的增加，活性炭对MB的去除率不断增加。当活性炭用量大于100mg时，其对亚甲基蓝的去除率趋于稳定，去除率达到98%以上。因此，MB初始质量浓度为100mg/L时，合理的活性炭质量浓度为0.667g/L。官方网址：．2吸附时间对活性炭去除MB的影响量取150mL质量浓度为100，200mg/L的MB溶液各9份，分别加入100mg活性炭后放入恒温振荡器在常温下进行振荡吸附，吸附时间分别为5，15，30，60，120，180，360，540，720min。活性炭对MB的吸附量随时间的变化曲线如图2所示，吸附量随着反应时间的增加而增加，并且在不同初始质量浓度下，活性炭吸附MB的时间曲线形状相似。在反应后的30min内，吸附速率很快，吸附量急剧增加，当吸附时间达到360min时，活性炭对MB的吸附量基本趋于稳定。吸附时间曲线说明，在其他反应条件固定时，活性炭吸附亚甲基蓝的最优反应时间为360min。2．3温度对对活性炭吸附MB的影响量取150mL初始质量浓度分别为100，120，140，160，180，200mg/L的MB溶液各4份，分别加入100mg活性炭后在温度为298，308，318，328K下进行振荡吸附360min。官方网址：所示，不同温度下活性炭对亚甲基蓝的吸附量不同，随着反应温度的升高，活性炭对MB的吸附量逐渐减小。可知活性炭对MB的吸附反应为放热反应。2．4吸附动力学分析吸附动力学研究主要是用来描述吸附剂吸附溶质的速率快慢，通过动力学模型对吸附实验数据进行拟合，从而探讨其吸附机理。常见的吸附动力学方程包括伪一级动力学方程、伪二级动力学方程和颗粒内扩散方程。本实验采用伪一级和伪二级模型对吸附动力学实验数据进行拟合。伪一级动力学方程可以用下式表示:ln(qe-qt)=lnqe－k1t(3)式中:t为吸附时间，min;qe和qt分别为吸附平衡时及t时刻的吸附剂对吸附质的吸附量，mg/g;k1为伪一级动力学模型的吸附速率常数，min－1。以ln(qeqt)对t作图得到直线，通过直线的斜率和截距可以计算出参数k1和qe的值。伪二级动力学方程可以用下式表示:官方网址：式中:k2为伪二级动力学模型的吸附速率常数，g/(mg·min)，其他与式(3)相同。以t/qt对t作图得到直线，通过直线的斜率和截距可以计算出参数qe和k2的值。分别采用伪一级和伪二级动力学方程对活性炭吸附MB实验数据进行线性拟合，结果如图4、表1所示。由拟合结果可知，通过伪二级动力学方程拟合得到的相关系数为1，理论吸附量与实际吸附量十分接近。可知伪二级动力学模型对实验数据的拟合结果更为理想，活性炭对亚甲基蓝的吸附过程完全符合伪二级动力学模型。2．5吸附等温线分析吸附等温线用于描述吸附剂对吸附质的吸附特性。常用的吸附等温线模型有3种，分别是Langmuir，Freundlich和Temkin等温吸附方程。官方网址：吸附等温线是理想状态下的模拟，常用于描述单分子层吸附。方程线性表达式如下:式中:ρe为平衡质量浓度，mg/L;qe，qmax分别为平衡吸附量和最大吸附量，mg/g;kL为Langmuir吸附平衡常数，mg/L。以ρe/qe对ρe作图得到直线，通过直线的斜率和截距可以计算出参数qmax和kL的值。Freundlich吸附等温方程是经验公式，适用于不均一吸附剂表面的非理想吸附，其线性表达式如下:式中:qe为平衡吸附量，mg/g;ρe为平衡质量浓度，mg/L;kF为Freundlich吸附平衡常数，mg/g，表示吸附能力的大小;1/n为量纲一的与吸附强度有关的系数，其值越小吸附性能越好。以lnqe对lnρe作图得到直线，通过直线的斜率和截距可以计算出参数kF和n的值。分别采用Langmuir和Freundlich吸附等温方程对活性炭吸附MB实验数据进行线性拟合，并计算吸附量、平衡常数等参数，结果如图5、表2所示。由拟合结果可知，活性炭对MB的的吸附等温过程很好地符合Langmuir和官方网址：吸附等温方程，线性相关系数均在0.99以上。其中Langmuir吸附等温方程的拟合比Freundlich吸附等温方程好，说明活性炭对MB的吸附更倾向于单层吸附。3结论(1)吸附实验研究表明活性炭吸附MB的最佳反应条件:活性炭用量为0.667g/L，吸附时间为360min，反应温度为298K。在此条件下，活性炭对MB的饱和吸附量为249.081mg/g。吸附反应在前30min内速率很快，并约在360min内达到吸附平衡，吸附动力学符合伪二级动力学模型。2)活性炭对亚甲基蓝的吸附反应为放热过程。活性炭对亚甲基蓝的吸附过程符合Langmuir和Freundlich吸附等温模型，且线性相关系数均在0.99以上。其中Langmuir吸附等温方程的拟合比Freundlich吸附等温方程好，说明活性炭对MB的吸附更倾向于单层吸附。