改性地瓜皮對剛果紅的靜態(tài)吸附效果研究

史 薇,羅 鶯

(武漢市生態(tài)環(huán)境局 江岸區(qū)分局,湖北 武漢 430019)

在染料廢水吸附研究中,學者們把研究重點集中于新型吸附材料[1],尤其是利用農(nóng)林廢棄物制備新型吸附材料[2-5],并且在環(huán)境污染處理方面越來越多地關注廉價和有效的替代技術及其實際應用。

農(nóng)林廢棄物因含有大量木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等成分,具有較強的吸附性能,同時又易于進行改性處理以制備新型吸附劑,且其具有來源廣泛、價格低廉等優(yōu)點,所以研究者們對農(nóng)林廢棄物的應用進行了廣泛而深入的研究。Amarasinghe等[6]研究了茶葉渣對水溶液中Cu2+和Pb2+的吸附,在溫度22 ℃,pH值5.10～6.10時,吸附量達到最大,對Cu2+和Pb2+的最大吸附量分別為48.10 mg·g-1和65.10 mg·g-1。

地瓜皮作為農(nóng)林廢棄物,因其具有成本低廉、易于得到且吸附性能力良好等特點,常常被用作染料廢水處理的吸附劑。而利用乙二胺對地瓜皮進行改性后,大大提高了其吸附廢水中陰離子染料的能力,進一步降低了廢水處理的成本。

筆者通過靜態(tài)吸附實驗,研究乙二胺改性地瓜皮對剛果紅的吸附效果,并進一步探討改性地瓜皮的吸附機理和作用,以期為開發(fā)廉價易得的農(nóng)業(yè)廢棄物吸附材料提供充分的理論基礎。

1 實驗試劑與儀器

1.1 實驗試劑

實驗過程所用到的試劑如表1所示:

表1 主要實驗試劑

1.2 實驗儀器

實驗所用到的儀器與設備如表2所示:

表2 主要實驗儀器與設備

2 實驗部分

2.1 地瓜皮的預處理

地瓜皮原料取自湖北洪湖地區(qū)。將水洗干凈后的地瓜皮晾干,用研磨機將晾干的地瓜皮研成粉末,過60目篩,再用去離子水洗凈,置24 h恒溫烘箱中于55 ℃烘干至恒重,保存于干燥器中待用。

2.2 改性地瓜皮的制備

取30 mL蒸餾水、10 mL無水乙二胺、2 g水洗地瓜皮粉末混合于500 mL燒瓶中,置于80 ℃恒溫水浴鍋中反應2 h。待反應結束后,用蒸餾水反復沖洗,抽濾,至中性。洗凈后放入恒溫烘箱中于55 ℃烘干至恒重,得改性后地瓜皮粉末,置于干燥器中待用。

圖1 實驗裝置

2.3 地瓜皮形貌的電鏡掃描

掃描電子顯微鏡形貌如圖2所示:

圖2 地瓜皮掃描電子顯微鏡圖像

從圖2(a)可以看出,地瓜皮表面呈多孔隙結構,這種孔隙結構有利于吸附的進行;從圖2(b)可以看出,乙二胺改性后的地瓜皮表面孔隙更立體,結構更飽滿,這種立體結構更有利于吸附的進行,由此圖可得出,乙二胺改性地瓜皮對吸附結構有促進效果。

2.4 靜態(tài)吸附實驗

2.4.1 靜態(tài)實驗步驟

將1 g/L的改性地瓜皮粉末放入到100 mL錐形瓶中,加入一定濃度的剛果紅溶液50 mL,置于水浴恒溫振蕩器,0.5 h后取上清液,離心,用分光光度法測定剩余染料濃度。

2.4.2 標準曲線的繪制

根據(jù)實驗測得的吸光度和標準溶液的濃度,分別以吸光度和標準溶液濃度為橫縱坐標,繪制剛果紅溶液標準曲線。

2.4.3 吸附劑平衡吸附量及吸附率的計算

取離心后上清液,用分光光度計測定反應后溶液的吸光度,然后采用下式計算地瓜皮粉末對剛果紅的吸附量:

用下式計算地瓜皮粉末對剛果紅的吸附率:

式中:C0——剛果紅溶液的初始濃度,mg/L;Ce——吸附達到平衡時染料的濃度,mg/L;V——剛果紅溶液的體積,L;M——吸附劑地瓜皮質(zhì)量,g;qe——吸附量,mg/g;m——吸附率,%。

3 實驗結果分析

本實驗主要研究了溶液pH值、吸附劑用量、染料濃度和反應時間4個影響因素對乙二胺改性地瓜皮吸附剛果紅染料效果的影響。

3.1 pH值對吸附剛果紅的影響

為研究溶液pH值對乙二胺改性地瓜皮(MPS)對剛果紅(CR)吸附效果的影響,首先取50 mg的MPS,再移取50 mL的初始濃度為100 mg/L的CR溶液,置于100 mL錐形瓶中,并調(diào)節(jié)pH值分別在4.00～10.00之間變化,在298 K下連續(xù)振蕩24 h后,測量溶液中CR的濃度,計算其單位吸附率,實驗結果如圖3所示:

圖3 pH值對地瓜皮吸附CR效果的影響

由圖3可以看出,對于MPS吸附CR的體系,pH值在4～5之間時,CR的吸附率是緩慢增加的;當pH值=5時,MPS對CR的吸附率達到最大值;當pH值在5～6之間時,CR的吸附率是緩慢下降的;而pH值在7～10時的吸附率明顯低于pH值在4～6時的?？傮w來看,在酸性條件下吸附效果優(yōu)于堿性條件。

改性地瓜皮吸附剛果紅實驗結果表明,pH值在4～6之間時,溶液中與剛果紅競爭結合改性地瓜皮表面吸附點位的質(zhì)子較多,吸附活性點位較多,所以改性地瓜皮對剛果紅的吸附量較大,吸附率也較大;當pH值在7～10之間時,剛果紅解離帶負電荷,然而此時溶液中質(zhì)子數(shù)目較少,只能中和一部分帶負電荷的剛果紅,因此單位吸附量比pH值在4～6時減小;溶液中的質(zhì)子數(shù)隨pH值的增大而減少,能吸附剛果紅染料的吸附點位也減少,單位吸附量減小,因而去除率呈下降趨勢。當pH值大于9時,改性地瓜皮與剛果紅帶同種電荷,都是負電荷,他們之間產(chǎn)生靜電斥力,因此單位吸附量有大幅度降低。因此,本實驗對MPS吸附CR吸附體系采取最佳pH值為5。

3.2 吸附劑用量對吸附剛果紅的影響

吸附劑的用量對溶液中染料的吸附量有著重要的影響。

本實驗采用0.3～2.0 g/L的改性地瓜皮粉末,置于100 mL錐形瓶中,加入100 mg/L的剛果紅溶液50 mL,在298 K恒溫水浴振蕩器中振蕩24 h,達到吸附平衡后取出,測出吸附后染料的濃度。計算其單位吸附率,所得實驗結果如圖4所示:

圖4 吸附劑用量對吸附剛果紅效果的影響

由圖4可以看出,MPS-CR吸附體系的吸附率隨吸附劑用量的增加而增加,MPS對CR的吸附,當改性粉末投加量由0.5 g/L增加到0.7 g/L時,CR的吸附率由60%增加到87%,吸附率大幅增加;當吸附劑用量繼續(xù)增加后,吸附率增幅減緩,而吸附劑用量為2.0 g/L時,CR吸附率達99.82%。

從實驗結果中發(fā)現(xiàn),當吸附劑用量逐漸增大,吸附率則逐漸增加。分析其主要原因是,改性地瓜皮粉末用量增加后,用于吸附染料的活性點位也在增加,從而可以吸附更多的吸附質(zhì),所以吸附率是逐漸增加的;在吸附劑用量小于0.7 g/L時,增幅較大的原因在于吸附劑提供的吸附染料的活性點位尚未達到吸附所有染料所需的飽和點位數(shù),所以隨吸附劑用量的增加,CR吸附率大幅增加;吸附劑用量大于0.7 g/L時,吸附劑吸附點位可吸附大部分染料,使吸附率達90%以上。

綜合考慮MPS對CR的吸附結果,吸附劑用量選用取1 g/L時吸附率已達90%,有較好的吸附效果,所以實驗中采用1 g/L作為吸附劑的最佳濃度。

3.3 染料濃度對吸附剛果紅效果的影響

本實驗中,吸附劑用量為1 g/L,配制濃度為20～500 mg/L的剛果紅溶液,取50 mL置于100 mL錐形瓶中,于298 K恒溫水浴鍋中振蕩24 h,達到吸附平衡后取出,測出吸附后染料的濃度。實驗結果如圖5所示:

圖5 染料濃度對吸附剛果紅的影響

由圖5可以看出,改性地瓜皮吸附CR時,隨著平衡濃度的增加,單位吸附量也隨之增加,并且剛開始增加幅度較大,隨后逐漸達到吸附平衡。由圖5可以看到,剛果紅溶液濃度為300 mg/L時,改性地瓜皮對剛果紅的吸附量達到最大值,在300～500 mg/L之間呈現(xiàn)吸附平衡狀態(tài)。改性地瓜皮粉末最終達到的吸附平衡的吸附量為145 mg·g-1。染料濃度的高低對吸附效果有一定的影響。

3.4 時間對吸附剛果紅的影響

首先取50 mg的MPS,再移取50 mL的初始濃度為100 mg/L的CR溶液,置于100 mL錐形瓶中,于298 K下,置于振蕩器中進行吸附實驗。每隔一段時間取出錐形瓶,測量溶液中CR的濃度,算出吸附率。所得實驗結果如圖6所示。

由圖6可以看出,MPS對CR的吸附可分為開始較短時間內(nèi)的快速吸附和以后的慢速吸附兩個過程。在0～180 min時,吸附速率快,吸附快速進行;在180～480 min時,吸附速率開始減慢,吸附過程減緩;在480 min之后,吸附曲線逐漸趨于平穩(wěn),呈現(xiàn)緩慢吸附狀態(tài),吸附基本達到平衡。該趨勢符合吸附基本規(guī)律。

圖6 時間對地瓜皮吸附剛果紅效果的影響

本實驗表明,吸附平衡時間為8 h。綜合考慮MPS對CR的吸附,為達到較好的吸附效果,實驗取24 h作為吸附平衡時間。

4 結論

本研究以廉價的農(nóng)業(yè)廢棄物地瓜皮為基本原料,使用乙二胺對其進行改性,研究其對陰離子染料剛果紅的吸附性能。探討了其吸附機理,實驗結論如下:

(1)通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)地瓜皮表面存在多孔結構,有利于吸附進行;改性地瓜皮表面較天然地瓜皮表面接入乙二胺,并且表面孔隙增多,證明地瓜皮改性在地瓜皮表面引入乙二胺,乙二胺改性地瓜皮制備成功。

(2)靜態(tài)吸附實驗中,研究了改性地瓜皮和未改性地瓜皮對剛果紅的靜態(tài)吸附效果。探究了pH值、吸附劑用量、染料濃度和反應時間等吸附條件對吸附的影響,結果表明,改性地瓜皮在吸附劑濃度為1 g/L,pH值為5,吸附時間為24 h時,對100 mg/L剛果紅溶液的吸附率可達到90%以上,而未改性地瓜皮在相同條件下的吸附率只有67%左右。改性地瓜皮對染料的吸附效果明顯優(yōu)于未改性地瓜皮。