稻殼吸附劑對亞甲基藍(lán)的吸附性能研究

武 云，黃中梅

(武漢生物工程學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430415)

當(dāng)前印染廢水帶來的環(huán)境污染問題十分嚴(yán)峻，常用的處理方法經(jīng)濟(jì)節(jié)能卻帶來二次污染。目前處理印染廢水的方法有：吸附法[1]、膜分離法[2]、絮凝沉降法[3]、光催化法[3]、離子交換法[4]、微生物降解和電解法[5]等。由于吸附法在處理過程中不會引入新的污染，因而受到廣泛關(guān)注。稻殼的主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和二氧化硅[6]，而且價(jià)格低廉，安全無毒，多孔性容量小，質(zhì)地粗糙，其吸附率高可完全生物降解，對處理印染廢水有很大的優(yōu)勢。

本文探究經(jīng)過5%的H2SO4處理的稻殼對亞甲基藍(lán)的吸附性能，從而得出處理印染廢水的最佳條件。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

儀器：DHG-9053A型電熱恒溫空氣干燥爐，上海恒科技有限公司；予華牌SHZ-DⅢ型循環(huán)水真空泵，鞏義予華儀器有限公司；電子恒溫不銹鋼水浴鍋爐，上海儀器設(shè)備有限公司；AUY120分析天平，上海雙旭電子有限公司；722E可見分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司制造；PHS-25 pH計(jì)，上海雷磁儀器生產(chǎn)廠。

試劑：雙氧水，天津市新中化工廠；鹽酸，武漢市華粉化工有限公司；氫氧化鈉，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；亞甲基藍(lán)，湖南湘中地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所；硫酸，濟(jì)南砷豐化工有限公司；以上均為分析純。天然稻殼，軍艷十八畝五谷廊坊生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 制備稻殼吸附劑

1.2.1 稻殼吸附劑的制備

將稻殼粉碎成粉末狀，用蒸餾水洗滌3次，去除懸浮物和可溶性物質(zhì)，置于烘箱中60 ℃烘干至恒重。用1.5 mL 5% H2SO4處理5 g稻殼粉末，攪拌均勻，在120 ℃中干燥1 h。冷卻至室溫，得稻殼吸附劑。

1.2.2 5%H2SO4對亞甲基藍(lán)吸附實(shí)驗(yàn)的影響

由于亞甲基藍(lán)遇稀硫酸會褪色，會影響試驗(yàn)所測吸光度。為排除影響，用處理后的含有5%H2SO4稻殼粉末分別與10 mg/L，15 mg/L，20 mg/L，25 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明反應(yīng)前后的吸光度差別均為0.50%以下，證明5%的稀硫酸不足以對所測吸光度造成影響。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 吸附實(shí)驗(yàn)

取一定量的稻殼吸附劑，加入到20 mL不同濃度的亞甲基藍(lán)溶液中，在室溫下攪拌反應(yīng)一段時(shí)間，抽濾，用分光光度計(jì)在最大吸收波長662 nm下測其吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出濃度。

亞甲基藍(lán)的去除率計(jì)算公式[1]：

(1)

式中：E——去除率，%

C0——亞甲基藍(lán)的初始濃度，mg/L

Ce——吸附后亞甲基藍(lán)的濃度，mg/L

1.3.2 時(shí)間對去除率的影響

準(zhǔn)確移取20 mL濃度為25 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液于5個(gè)燒杯中，分別加入0.3 g的稻殼吸附劑，吸附時(shí)間分別為30 min，60 min，90 min，120 min，150 min。在pH值為6.5，室溫下攪拌反應(yīng)。經(jīng)過抽濾，測量吸光度，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線得到濃度，計(jì)算去除率。則去除率與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 吸附時(shí)間對去除率的影響Fig.1 Effect of adsorption time on removal efficiency

通過圖1可以看出，隨著吸附時(shí)間的上升，去除率也逐漸上升，去除率隨吸附時(shí)間的波動可能與稻殼的吸附活性點(diǎn)及表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。在吸附時(shí)間為30，60 min時(shí)，去除率趨于平緩，90 min時(shí)略有下降。90 min后曲線較陡峭，去除率上升較明顯。說明90 min后吸附性能更好。在150 min時(shí)去除率達(dá)到最大，為97.95%。故選取90 min，120 min，150 min作為正交實(shí)驗(yàn)中時(shí)間因素的三個(gè)水平。

1.3.3 初始濃度對去除率的影響

取20 mL溶液pH為6.5濃度分別為25 mg/L，50 mg/L，75 mg/L，100 mg/L，125 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液于5個(gè)燒杯中，均加入0.3 g的稻殼吸附劑吸附150 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行抽濾，分別測其吸光度，計(jì)算濃度，得其去除率。則去除率與初始濃度的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 初始濃度對去除率的影響Fig.2 Effect of initial concentration on removal efficiency

從圖2可以看出，隨著濃度的升高，去除率呈下降趨勢。按趨勢來分析75 mg/L時(shí)去除率為95.73%，說明當(dāng)濃度繼續(xù)增大時(shí)，去除率基本不再增加。這是由于濃度梯度較大，吸附驅(qū)動力大，去除率增加，當(dāng)濃度達(dá)到一定值后，吸附劑活性位點(diǎn)被亞甲基藍(lán)分子全部占據(jù)，去除率基本不變[7]。所以選取50 mg/L，75 mg/L，100 mg/L作為探究最佳吸附條件的三個(gè)水平。

1.3.4 pH對去除率的影響

分別取20 mL濃度為10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液于5個(gè)燒杯中，溶液的pH用0.01 mol/L的鹽酸和0.01 mol/L的氫氧化鈉來調(diào)節(jié)為5.5，6.5，7.5，8.5，9.5，各加入0.3 g稻殼吸附劑吸附5 min。待吸附反應(yīng)完成后，抽濾，測出吸光度。代入標(biāo)準(zhǔn)曲線得到其濃度，算出去除率。其變化趨勢如圖3所示。

圖3 pH對去除率的影響Fig.3 Effect of pH on removal efficiency

由圖3可知，在pH值=7.5之前時(shí)，隨著pH的升高，去除率逐漸增加。當(dāng)pH=7.5的時(shí)候，其去除率達(dá)到最大，此時(shí)去除率為94.50%。當(dāng)pH值大于7.5時(shí)，隨著pH值的升高，去除率反而下降。而且在pH值7.5之后，所得到的去除率比在7.5以前的要高，進(jìn)一步證明H+濃度過高不利于吸附。但堿性廢水排放污染土壤較為嚴(yán)重，所以選取pH值分別為5.5，6.5，7.5作為正交試驗(yàn)的三個(gè)水平來探究其吸附性能。

1.3.5溫度對去除率的影響

準(zhǔn)確移取20 mL濃度為25 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液于5個(gè)燒杯中，各加入0.3 g的稻殼吸附劑分別在溫度為45 ℃，55 ℃，65 ℃，75 ℃，85 ℃吸附10 min。待吸附完成后抽濾，待冷卻后，測其吸光度，得濃度，計(jì)算去除率。溫度與去除率的曲線關(guān)系如圖4所示。

圖4 溫度對去除率的影響Fig.4 Effect of temperature on removal efficiency

從圖4可以看出，60 ℃以前去除率變化不明顯，75 ℃與65 ℃時(shí)去除率接近，而隨著溫度的上升，去除率依然比60 ℃以前要略高。但當(dāng)溫度持續(xù)升高至85 ℃時(shí)，去除率逐漸下降。所以選取65 ℃，75 ℃，85 ℃作為溫度的三個(gè)水平來探究其吸附性能。

1.3.6 根據(jù)各因素繪制正交表得出最佳吸附條件

通過單因素試驗(yàn)的探究，選取吸附時(shí)間，初始濃度，pH，吸附溫度這四個(gè)因素中的三個(gè)水平即L9(34)正交表探究其最佳吸附條件，其結(jié)果如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of orthogonal test

根據(jù)表1的結(jié)果，稻殼吸附劑對亞甲基藍(lán)的吸附影響因素：初始濃度>吸附時(shí)間>pH>吸附溫度。最佳吸附條件是A3B1C2D1，即初始濃度為50 mg/L，吸附時(shí)間為150 min，pH為6.5，吸附溫度為65 ℃，此時(shí)去除率為97.01%。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備改性稻殼吸附劑

取上述5%的H2SO4處理的稻殼吸附劑5 g于燒杯中，加入1.5 mL的14% H2O2，攪拌均勻，放入烘箱中，200 ℃下烘干65 min至恒重。冷卻至室溫，得改性的稻殼吸附劑。

2.2 14%H2O2對亞甲基藍(lán)吸附實(shí)驗(yàn)的影響

由于亞甲基藍(lán)有氧化性，所以雙氧水改性后的稻殼吸附劑使得去除率增高，是否是其中14%雙氧水與亞甲基藍(lán)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)造成的不可得知。所以在室溫下，設(shè)計(jì)處理稻殼吸附劑相同體積的14%的雙氧水分別與10 mg/L，15 mg/L，20 mg/L，25 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明反應(yīng)前后的吸光度均在0.80%以下，證明14%的雙氧水對所測吸光度造成的影響微小。所以14%的雙氧水對亞甲基藍(lán)吸附實(shí)驗(yàn)的影響大小忽略不計(jì)。

2.3 改性稻殼吸附劑對亞甲基藍(lán)的吸附實(shí)驗(yàn)

取20 mL濃度為50 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液于燒杯中，調(diào)節(jié)pH為6.5，加入0.3 g改性稻殼吸附劑，在溫度為65 ℃下，吸附反應(yīng)150 min。待反應(yīng)完成，抽濾，冷卻以后，測其吸光度，計(jì)算得去除率。

2.4 改性前后吸附性能比較

最佳吸附條件下，改性后去除率為98.99%，與未改性前最佳吸附條件下相比，去除率提高2%，表明對亞甲基藍(lán)的吸附性能更加明顯。因改性處理并不復(fù)雜，改性是有必要可行的。

3 結(jié) 論

稻殼吸附劑對亞甲基藍(lán)去除率的影響因素：初始濃度>吸附時(shí)間>pH>吸附溫度。

稻殼吸附劑吸附亞甲基藍(lán)的最佳條件：初始濃度為50 mg/L，吸附時(shí)間為150 min，pH 為6.5，吸附溫度為65 ℃。稻殼吸附劑對亞甲基藍(lán)有很好的吸附效果。在最佳吸附條件下，所得的去除率為97.01%。

利用14%雙氧水對稻殼吸附劑進(jìn)行改性后，最佳吸附條件下，其去除率為98.99%，比為改性之前上升了2%。H2O2改性稻殼吸附劑對亞甲基藍(lán)的吸附性能更好。在允許條件下，改性稻殼吸附劑更利于吸收。