（环境科学专业论文）荷叶吸附水体中亚甲基蓝和碱性品红的研究.pdf

摘要 加深入理解荷叶吸附染料机理提供理论依据。 本文的研究结果表明荷叶对亚甲基蓝和碱性品红有很好的去除能力，廉价 的农业废料荷叶将是一种很有潜力生的物质吸附剂。 关键词：吸附；荷叶；亚甲基蓝；碱性品红 i i a b s t r a e t a b s t r a c t c o l o rw a s t e w a t e rd i s c h a r g e di n t ow a t e rm i g h tc a u s ev a r i o u se n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s t h el o wc o s tb i o m a s sm a t e r i a ll o t u sl e a fw a sf i r s t l yu s e da sa na d s o r b e n t f o rt h er e m o v a lo fc a t i o n i cd y ef r o ma q u e o u ss o l u t i o n t h ed y e ss e l e c t e df o rt h e p r e s e n ts t u d yw e r em e t h y l e n eb l u e ( m b ) a n db a s i cf u c h s i n ( b f ) t h ep o t e n t i a lo f l o t u sl e a ff o rt h er e m o v a lo fm ba n db ff r o ma q u e o u ss o l u t i o nw a si n v e s t i g a t e d t h e b a t c ha n df i x e d b e dc o l u m ne x p e r i m e n t sw e r ed i s c u s s e d t h eb a t c he x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e du n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n s i n c l u d i n g c o n t a c tt i m e ，a d s o r b e n td o s e ，i n i t i a lm bc o n c e n t r a t i o n , s o l u t i o np h ，s a l ti o n i c s t r e n g t ha n dt e m p e r a t u r e t h eb a t c he x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a t4hw a ss e e na st h e a d s o r p t i o ne q u i l i b r i u mt i m ea n da d s o r b e n td o s eo f1g lw a sf o u n dt ob et h eo p t i m u m c o n c e n t r a t i o nf o rt h ea d s o r p t i o no fm e t h y l e n eb l u ea n db a s i cf u c h s i n t h em a x i m u m m o n o l a y e ra d s o r p t i o nc a p a c i t yo fl o t u sl e a ff o rm ba n db fw e r ef o u n dt ob e2 21 7 m e g ga n d117 5m e g ga t2 9 3kr e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c eo fc a 2 + o nr e m o v a lo fm b a n db fw e r es t r o n g e rt h a nn a + h i g h e rt e m p e r a t u r er e s u l t e di na ni n c r e a s ei nt h e a m o u n to fd y e sa d s o r b e do n t ol o t u sl e a fp o w d e rw i t h i nt h er a n g eo fe x p e r i m e n t a l t e m p e r a t u r e s t h el a n g m u i r , f r e u n d l i c h , t e m k i n , k o b l e c o r r i g a n a n d r e d l i c h - p e t e r s o ni s o t h e r mm o d e l sw e r ee m p l o y e dt od i s c u s st h ea d s o r p t i o nb e h a v i o r o fl o t u sl e a ff o rm ba n db f t h ea d s o r p t i o no fm bo n t ol o t u sl e a ff o l l o w st h e l a n g m u i ra n dt e m k i ni s o t h e r mm o d e l sw e l l m o r e o v e r , t h ea d s o r p t i o no fb fo n t o l o t u sl e a ff o l l o w sl a n g m u i r ，f r e u n d l i c h ，r e d l i c h p e t e r s o ni s o t h e r mm o d e l sw e l l a s t e m p e r a t u r e sw e r ew i t h i nt h er a n g eo f2 9 3 - 313k t h et h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r sa g f o ra d s o r p t i o no fm ba n db fo n t ol o t u sl e a fw e r e - 2 5 6 7 ，一2 6 5 7 ，一2 7 7 4k j t o o la n d - 2 4 2 8 ，一2 5 16 ，一2 7 2 8l 【j m o l ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h es p o n t a n e o u s n a t u r ea n de n d o t h e r m i cn a t u r eo ft h ea d s o r p t i o np r o c e s so fl o t u sl e a ff o rm ba n db f , a n dt h ei n c r e a s ei nt e m p e r a t u r ew a sa d v a n t a g et oa d s o r bm ba n db f t h ek i n e t i c s t u d i e sf o rm ba n db fa d s o r b e do n t ol o t u sl e a fi n d i c a t e dt h a ta d s o r p t i o np r o c e s s f o l l o w e dt h ep s e u d os e c o n d o r d e rm o d e ，s u g g e s t i n gt h a tt h ea d s o r p t i o nm i g h tb e c h e m i s o r p t i o np r o c e s s ，a n dt h eb o u n d a r yl a y e ra n di n t r a p a r t i c l ed i f f u s i o nm a yc o n t r o l i l l a b s t r a c t t h ea d s o r p t i o np r o c e s st os o m ee x t e n t i nf i x e d - b e dc o l u m ne x p e r i m e n t s ，t h ee f f e c t so ff l o wr a t e ，i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n a n d b e dh e i g h to nt h eb r e a k t h r o u g hc h a r a c t e r i s t i c so fa d s o r p t i o nf o rm ba n db fw e r e d i s c u s s e d 硼kt h o m a sa n dy o o n - n e l s o nw e r ea p p l i e dt ot h ec o l u m ne x p e r i m e n t a l d a t at od e t e r m i n et h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h ec o l u m na d s o r p t i o n , t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h o m a sa n dy o o n - n e l s o nc a nd e s c r i b et h ec o l u m na d s o r p t i o np r o c e s s o fm ba n db fw e l l t h eb e d d e p t h s e r v i c et i m e ( b d s t ) m o d e l sc a np r e d i c t et h e b r e a k t h r o u g ht i m ea n gt h es a t u r a t e da d s o r p t i o nt i m e ，w h i c hw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 啊1 e c h a r a c t e r i s t i c so fl o t u sl e a fw e r es t u d i e du s i n gb r u n a u e r - e m r n e t t t e l l e r ( b e t ) ，f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n dd i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s ( d t a ) t h es t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o t u sl e a fh e l p e du st of u r t h e ru n d e r s t a n dt h ea d s o r p t i o nm e c h a n i s mo fm ba n db f o n t ol o t u sl e a f 1 1 1 ep r e s e n ts t u d yi m p l i e dt h a tl o t u sl e a fw a sap r o m i s i n gc a n d i d a t ea sl o wc o s t b i o s o r b e n tf o r t h er e m o v a lo fm ba n db ff r o ma q u e o u ss o l u t i o n k e y w o r d s ：a d s o r p t i o n ；l o t u sl e a f ；m e t h y l e n eb l u e ；b a s i cf u c h s i n i v 综述 1 综述 1 1 概述 我们的世界，不论是在科学还是技术方面都已发展到了一个新高度，但是 我们也为此付出了高昂的代价，其中最严重的就是环境污染问题。社会的进步， 使人类对水的需求量急剧升高。在可用水中，农业灌溉用水占去了7 0 ，工业 用水占去了2 2 ，居民生活用水占去了8 。在用水的同时，也产生了大量的 废水，这些废水中含有大量的污染物质，其中最重要的组成部分就是染料。由 于大多染料都是人工合成的有机物，分子结构比较复杂，性质比较稳定，一旦 进入水体就很难降解【l j 。 染料废水直接排放到水体，不仅影响水体美观，降低水体透光率，而且破 坏水体生态系统【2 】。染料及其中间代谢产物含有多种有毒物质可对水体生物造成 危害，并通过食物链间接危害人类【3 】。因此如何提高印染废水处理效率，降低处 理成本成为当前急需解决的问题。 在染料废水处理方面，许多传统的方法，如化学沉降、活性污泥、生物滤 池、光降解技术等已经被广泛研究【4 】。但是，由于染料自身结构特点，这些传统 的废水处理方法对染料废水所起的作用是有限的【5 】。近年来，用吸附方法处理染 料废水引起广泛关注。用传统的吸附材料活性炭处理废水中的染料，已取得良 好效果。但商用活性炭价格昂贵，不适合染料废水处理的工业化应用。开发可 以广泛运用，高效、低成本的吸附剂成为研究的重点。已经报道过的非传统吸 附剂有麦秸【6 】、竹子阴、腰果壳【8 1 、椰子壳【9 】、锯屑【1 0 1 、糖工业废渣【1 1 1 、壳聚糖 f 1 2 】、粘土【1 3 】等材料。本研究所用的吸附剂为荷叶。荷叶为农业废弃物，在我国 广泛存在，价格低廉。用废弃物来处理污染问题，不仅变废为宝，赢得了经济 效益，而且美化了环境，节省了资源。因此开发生物质吸附剂材料有很大的经 济优势和广阔的市场前景。 1 2 染料废水来源 染料废水主要来自染料生产废水和印染工业废水。染料被认为是特别危险 的物质【1 4 1 。世界上大概有4 0 0 0 0 多种染料，它们拥有7 0 0 0 多种不同结构”】。在 染料生产过程中，约有6 的染料进入染料生产废水；在印染过程中，约有1 0 1 5 综述 的染料进入染色废水。染料生产工业的废水排放量很大，平均每生产1 吨染料， 排放的废水量约为3 0 1 0 0 吨；纺织印染工业也是用水量最大的行业之一，废水 的排放量也非常大，平均每印染加工1 吨织物，废水排放量大约为1 0 0 2 0 0 吨。 这些染料废水如果不加以处理，将会导致严重的环境污染问题。 1 3 染料废水的特点 染料废水具有水量大、有机污染物含量高、碱性大、水质变化大等特点， 属于难处理的工业废水之一。染料废水水质复杂，含有染料、浆料、助剂、油 剂、酸碱、纤维杂质、砂类、无机盐等物质，其中主要以有机污染物为主。污 染物按来源可分为两类：一类来自原料本身的物质；另一类是加工过程中用到 的染料、浆料、化学助剂、油剂等。染料废水一般具有以下特点：( 1 ) 染料废水 水质波动大，由于不同织物、不同染料、不同助剂的染整要求不同，所以废水 中的c o d c r 、p h 值、b o d 5 、颜色等也各不相同，因此染料废水中含有的污染物 种类和浓度变化十分频繁：( 2 ) 处理难度大，因印染技术的进步以及化纤织物的 发展，新型助剂、p v a 浆料等难以生化降解的有机物大量进入废水中，增加了 染料废水的处理难度；( 3 ) 染料废水含碱量高，有的废水c o d c ，值可达1 0 0 0 0 0 m g l 以上，p h 值 1 2 ：( 4 ) 可生化性差，有的废水b o d 5 c o d c r 的值很低，在0 2 左右，属于不易生化类废水；( 5 ) 颜色深，色度大，少量的染料也会使大面积的 水体受到污染；( 6 ) 含有微量有毒物质，如苯胺类染料有较强的生物毒性。 1 4 染料废水的危害 染料给人们带来绚丽的颜色并产生巨大的经济效益，但同时也产生大量的 染料废水并排放到水体环境中，导致水体污染。世界上每年大概生产1 0 0 0 0 多 种染料，共计约有7 0 0 0 0 0 吨【1 6 1 。在制造加工染料过程中，约有1 2 的染料被损 失掉，其中的2 0 进入废水【1 7 】；在染色过程中，大约有1 0 1 5 的染料被排放 到污水里，形成染料废水【1 8 】。染料废水具有很高的色度，即使是少量的染料， 也会污染大面积的水体，使受纳水体外观严重恶化。着色水体不仅会造成视觉 上的污染而且会降低水体透明度，影响水生植物的光合作用，进而造成整个水 体生态系统破坏，降低水体经济价值。染料废水中常含有大量有毒物质，如金 属类物质铜、锰、汞、铅、铬等，这些重金属可以在自然环境中能长期存在， 2 综述 很难生物降解，并且通过食物链影响人类健康。染料废水中的有机有毒物质主 要是芳香族胺基化合物、芳香族硝基化合物、联苯等多苯环取代化合物以及苯、 萘、葸、醌类有机物。这些物质生物毒性都很大，严重影响水体生物的生长和 繁殖，致使整个水体环境恶化。 1 5 染料废水治理技术 在早期，染料的选择和使用并没有考虑到对环境的影响。工业上使用的染 料，有一半染料的化学成分都不清楚。近年来，染料的使用对环境的影响被大 家所关注。染料生产厂，染料使用单位以及政府部门都做了大量工作处理染料 废水。从最初，染料废水必须经过一定的预处理才能排放，如沉降、控制p h 值、 控制总溶解性固体物、控制总悬浮物；后来，染料废水要经过中级处理，例如 生物滤池工艺；现在，一般使用活性污泥法处理染料废水。通常，工业废水处 理过程一般包括以下几个步骤：预处理，在工业废水排放到城市管网或主要处理 单元之前必要的处理调节手段；然后，废水经过一级处理，初步去除废水中的 一些污染或干扰物质，如可以通过物理或化学方法处理掉悬浮物质；废水进入 二级处理程序，通常为生化处理过程，去除大部分有机污染物质；第三部为物 理化学处理过程又称三级处理，这个过程主要包括吸附、离子交换、退镀、化 学氧化、膜分离。这些物理化学处理费用要远高过生化处理费用，但能去除生 化处理不能去除的污染物质。物理化学法在污水生化处理工艺中也会被系列优 化设计，有时物理化学处理方法也会被单独使用。最后一步是污泥浓缩、处理 及处置过程。染料废水的处理也是通过优化设计，或多或少地使用上面提到的 处理单元。没有一种处理工艺能够解决所有类型的污水。 染料废水的处理方法一般可以分为四类：物理法、化学法、生物法、光波 电处理法。 1 5 1 沉淀法 沉淀法是处理市政废水和工业废水常用的基本方法。沉淀法包括环节有： 化学絮凝剂、沉淀池、澄清器等主要构成单元。该方法是通过物理化学的作用， 使原先溶于废水，不易过滤的细小污染物聚集成较大颗粒，再通过重力沉降以 便分离的方法。 3 综述 在染料废水处理中常使用的絮凝剂主要有无机、有机、高分子化合物，无 机絮凝剂主要有铁盐、铝盐、钙盐，高分子有机絮凝剂有聚丙烯酰胺和聚丙烯 酸钠【1 9 】。絮凝剂选择适当，可使染料废水大幅脱色，c o d 、b o d 5 值大幅降低。 絮凝沉淀法对溶解性不好的染料可以起到很好的去除效果，而对溶解性好的染 料如碱性染料、酸性染料、活性染料效果有限。而且絮凝沉淀的生成物是大量 的污泥，这给后继处理工作带来一定的麻烦。 沉淀法工艺成熟、操作简单、对难溶性染料脱色效率很高。但是由于消耗 大量的絮凝剂，运行费用较高；泥渣产量处理困难；对易溶性染料处理效果差。 1 5 2 膜分离 膜分离技术也是废水处理工艺中重要的组成部分。主要是利用半渗透膜能 从流动体系中分离出物质的技术。其中微孔膜过滤、超过滤、纳滤、反渗透等 处理方法已经被用于染料废水处理的研究。离子交换膜技术则多用于特殊工业 废水的处理t 2 0 l 。在这些方法中，由于微过滤膜孔径比较大，该技术在废水处理 方面的应用比较少，而超滤和纳滤技术都可以很好地去除染料废水中的各种染 料，但染料分子易堵塞滤膜孔径，使得该技术的使用有一定的局限性【2 l 】。超滤 是一种新型水处理技术，利用流体压力差为推动力，实现物质分离。超滤的本 质是一种过滤，膜表面的孔径大小是主要的影响因素。纳滤是介于超滤与反渗 透之间的一种膜分离技术，其截留分子量在2 0 0 1 0 0 0 范围内的物质，孔径只 有几纳米。反渗透技术，其原理是在高于溶液渗透压的作用下，依据其它物质 不能透过半透膜而将这些物质与水分离。反渗透膜的孔径非常小( 约为1 0 a ) ， 因此能够有效去除水中的溶解盐类、微生物、胶体、有机物等，去除率可高达 9 7 - - 9 8 。反渗透技术在制备高纯水工艺中应用广泛，通过反渗透技术获得水 的水质接近于纯水。 膜分离技术在废水处理应用上不受温度、环境的影响，设备简单，易于操 作，分离效率高，处理效果好，可用于废水循环使用工艺。但是膜分离技术能 耗高、膜易堵塞、成本高、寿命短。这些使得膜分离技术大规模工业化应用受 到限制。 4 综述 1 5 3 氧化法 氧化脱色法有氯氧化法、h ：0 2 氧化法、臭氧氧化法、f e n i o n 试剂氧化法、 光氧化法、超声波脱色法等。化学氧化法一般作为废水深度处理设施，目的是 去除色度，同时降低部分c o d 。经处理后的废水，色度可降到5 0 倍以下，但 c o d 去除率较低。 氯氧化脱色法就是利用氯氧化染料分子上的发色集团，破坏其分子结构，从 而使染料失去发色功能，达到脱色目的。常用的氯氧化剂有次氯酸钠、漂白粉、 液氯等。其中漂白粉价廉，来源广，但产泥量多；使用次氯酸钠，产泥量少， 但价格较高；用液氯，沉渣量少，但氯的用量大，余氯多。氯不是对所有类型 染料都有脱色效果，对水溶性染料有良好的脱色效果，但对不溶性染料如分散 染料、还原染料等，脱色效果较差【2 2 1 。而且在氧化脱色过程中，并不是所有染 料都能被完全破坏，其中大部分是以氧化态存在，在水中经过放置，还可能恢 复颜色。因此单独用此法脱色并不理想，适合与其它方法联用，可获得较好的 氧化效果。 用过氧化氢( h 2 0 2 ) 处理染料废水，主要依靠h 2 0 2 能分解产生氧化力很强的游 离羟基，使h 2 0 2 具有强氧化性，可用作漂白剂【2 3 1 。h 2 0 2 大部分应于纸张漂白。 也可以用h 2 0 2 生产过氧化酶，用于染料脱色【2 4 】。用h 2 0 2 处理染料废水无二次 污染、效果好、处理过程简单，但是处理成本较高、受p h 值影响较大、且有污 泥产生。 臭氧为强氧化剂，在废水脱色处理中得到广泛应用。臭氧具有强氧化作用是 由于臭氧分子中的氧原子强烈亲电子或质子。染料显色是由其发色基团引起， 臭氧能使发色基团中的不饱和键氧化分解，使其失去发色能力。染料的品种不 同，臭氧氧化脱色率也有较大差异。对于水溶性染料废水，其脱色率较高。 s u n d r a r a j a n 研究称臭氧氧化处理染料废水，能有效地去除溶液中的染料，但对 c o d 的去除几乎微乎其微【2 5 】。影响臭氧氧化的主要因素有接触时间、臭氧投加 量、臭氧浓度、悬浮物浓度、p h 值等。对悬浮物较少、水溶性染料较多的染料 废水，可单独采用臭氧处理。而对废水中含有以分散染料染料为主，且悬浮物 较多，宜采用联合工艺。 f e n t o n 试剂是h 2 0 2 与f e ：+ 的合称 2 6 1 。f e n t o n 试剂在废水处理中具有脱色、 混凝作用。通常对溶解性和难溶性染料都有很好的脱色效果【2 7 1 。但是对还原染 料和分散染料效果不明显。据报道，f e n t o n 试剂处理染料废水，不光有很好的 5 综述 脱色效果，而且废水中的总有机碳和废水毒性均降低。但f e n t o n 试剂处理染料 废水对p h 值的要求很高( p h 白杨 木锯屑 杏仁壳 榛子壳；酸性红1 8 3 的去除率，杏仁壳 胡桃木锯屑 白杨木锯 屑 榛子壳。 f e r r e r o 分别用榛子壳粉、胡桃木锯屑、樱桃木锯屑、橡胶树锯屑、脂松木 锯屑做吸附剂，去除生活废水溶液中的染料亚甲基蓝和酸性蓝2 5 ，研究了批次 实验和柱吸附实验。动力学实验证明吸附过程都符合准二级吸附动力学，平衡 等温线研究证明吸附行为符合l a n g m u i r 模型。在这几种木屑中，榛子木料锯屑 吸附亚甲基蓝和酸性蓝2 5 的效果最好。研究者还发现对于吸附亚甲基蓝来讲， 木料锯屑的吸附效果比用同种材料制备的活性炭的效果好，因为木料锯屑上含 有大量的活性官能团，而制备的活性炭上的活性官能团已经被破坏，并且活性 炭上的孑l 隙结构不足以使亚甲基蓝分子进入，因此制成的活性炭吸附亚甲基蓝 的量会下降。 其它的一些农业副产物如木瓜种子【6 0 1 、草【6 1 1 、香蕉皮【6 2 】、蚕豆壳【6 3 】、南瓜 种子壳【删、小白菊【6 5 1 、大蒜皮【吲、橙皮【6 7 】等都已被研究用作吸附剂去除废水中 的染料，有的材料已取得良好的吸附效果。 1 7 选题意义 染料由于自身分子结构特点，化学性质很稳定、难以降解，常用的物理、 综述 化学、生化处理法常常达不到对染料废水的达标处理，而且处理费用高。中国 是世界上最大的染料生产国，而且水环境污染严重，因此研究高效、低成本、 操作简单的废水处理方法意义重大。吸附法处理染料废水的关键因素就是吸附 剂的选取，天然生物质材料，由于其来源广泛，成本低廉，被很多研究者认为 是很有优势的吸附剂材料。 本文首次利用天然生物质材料荷叶作为吸附剂，探索荷叶对染料亚甲基蓝 和碱性品红的吸附性能，研究荷叶对亚甲基蓝和碱性品红的吸附条件及吸附机 理，为天然生物质资源的开发、利用提供理论数据基础。本文分别考察了吸附 时间、p h 值、吸附剂浓度、盐离子浓度、染料浓度以及温度对荷叶吸附亚甲基 蓝和碱性品红的影响，并讨论了吸附穿透曲线，为荷叶生物质资源变废为宝和 提高利用价值开发了新方向。 1 2 荷叶对亚甲基蓝的吸附研究 2 荷叶对亚甲基蓝的吸附研究 2 1 概述 藕作为一种农产品，在我国广泛种植，荷叶作为农业副产物，通常被直接 丢弃或焚烧掉，这样的处置方式，不仅浪费资源，而且也会引起环境问题。荷 叶像其它的植物材料一样，含有大量的植物纤维、蛋白质以及一些活性官能团 如羟基、羧基等，这些官能团使得荷叶有可能成为一种很有潜力的生物质吸附 剂材料。 本文研究选用亚甲基蓝来模拟染料废水。亚甲基蓝是一种阳离子染料，广 泛用于染发剂，染棉、毛、丝绸等行业。 本研究首次利用荷叶吸附水溶液中的亚甲基蓝，考察了吸附时间、p h 值、 吸附剂浓度、盐离子浓度、染料浓度以及温度对吸附量的影响。为荷叶生物质 资源变废为宝和提高利用价值开发了新方向。 2 2 实验部分 2 2 1 实验仪器 t g l 1 6 c 离心机( 上海安亭科学仪器厂) ； u v - 2 1 0 2 p c 紫外可见分光光度计( 上海尤尼柯仪器有限公司) a l 2 0 4 电子天平( 梅特勒一托利多仪器厂) ； h z 9 311 k 气浴恒温振荡器( 太仓市科教器材厂) ； c f 0 8 0 s 送风型干燥箱( 天津市华北实验仪器有限公司) ； p h s 3 c 型精密酸度计( 上海大谱仪器有限公司) ； y z l 5 1 5 x 蠕动泵( 保定兰格恒流泵有限公司) 。 2 2 。2 实验试剂 亚甲基蓝，亚甲基蓝储备液用蒸馏水配成5 0 0m g l ，工作液通过精确稀释 储备液获得；盐酸，氢氧化钠，氯化钙，氯化钠等均为分析纯( 中国，宿州化 学试剂厂) 。 荷叶对亚甲基蓝的吸附研究 2 2 3 荷叶预处理 从农田中收集的荷叶，用蒸馏水冲洗干净。冲洗过的荷叶放在6 5 干燥箱 中烘6h 。烘干后的荷叶用小型粉碎机磨碎，过筛，保存2 0 4 0 目的荷叶颗粒于 试剂瓶中用作实验用吸附剂。 2 2 4 实验方法和分析方法 2 2 4 1 荷叶对亚甲基蓝的批处理吸附实验 以m b 水溶液为研究对象，研究吸附剂用量、p h 、盐离子浓度、温度、染 料溶液初始浓度以及时间对吸附的影响。在批处理吸附试验中，取2 0m l 初始 浓度为1 0 0m g l 的m b 水溶液于5 0i n l 锥形瓶中，加入一定质量的荷叶吸附剂， 在转速为1 0 0r p m 的恒温振荡器中振荡4h 。0 1m o l lh c l 和0 1m o l ln a o h 用 来调节染料溶液的p h 值。用c a c l 2 和n a c l 来调节染料溶液的盐离子浓度。在 吸附等温线实验中，2 0m l 初始浓度在3 0 2 0 0m g r l 的m b 溶液，放入一系列含 有0 0 2g 荷叶吸附剂的5 0m l 锥形瓶中，分别在2 9 3 、3 0 3 、3 1 3k 的恒温振荡 器内振荡4h 。在吸附动力学实验中，2 0m l 初始浓度为5 0 1 5 0m g l 的m b 溶 液放入一系列5 0m l 锥形瓶中，再分别加入0 0 2g 荷叶吸附剂，保持恒定的温 度振荡，在不同吸附时间内，取出锥形瓶。 c i ( 吨儿) 图2 1 亚甲基蓝标准曲线 f i g 2 1s t a n d a r dc u r v eo fm e t h y l e n eb l u e 吸附后的溶液倒入离心管中离心， 朗伯一比尔定律，在波长为6 6 8n l n 处， 取上清液，采用可见分光光度法，利用 通过测定溶液的吸光度，根据标准曲线 1 4 荷叶对亚甲基蓝的吸附研究 y = 0 1 7 1 4 0 0 2 1 1 ( r - - 0 9 9 9 7 如图2 1 ) 计算溶液中m b 的浓度。 吸附剂的平衡吸附量( 口。) 和染料百分去除率( 户) 分别用公式( 2 1 ) 和公式 ( 2 2 ) 来计算： 吼：v ( c o - c , ) ( 2 1 ) 研 p ：c o - c e 1 0 0 ( 2 2 ) g 其中：g 。为平衡吸附量，即单位质量吸附剂对染料的吸附量( m g g ) , c o 和 c e 分别为m b 初始浓度和吸附平衡时浓度( m e l ) , v 为溶液体积( l ) ：m 为吸附 剂的质量( g ) ；p 为染料去除率。 2 2 4 2 荷叶对亚甲基蓝的动态吸附实验 动态吸附实验，分别研究了亚甲基蓝溶液浓度、流速、床层高度对动态吸 附的影响。将一定质量的荷叶放于吸附柱内( 内径1 5c m ，长4 0c m ) 形成一定的 柱高( 5c m ，1 0c m ，1 5c m ) 。已知浓度的染料溶液( 7 0m g l ，1 0 0m g l ，1 3 0m g l ) 通 过蠕动泵，以一定的流速( 6m l m i n , 8m l m i n , 1 1m l m i n ) 输送到吸附柱内，染料 溶液由重力作用自然通过床层并以一定流速流下。在一定时间间隔内，取出流 出液，用分光光度法测量流出液中亚甲基蓝的浓度。 2 3 荷叶对亚甲基蓝批处理吸附结果与讨论 2 3 1 吸附时间对吸附的影响 为了研究吸附时间对荷叶吸附亚甲基蓝的影响，找出达到吸附平衡所需要 的时间，在一系列5 0m l 锥形瓶中，分别加入o 0 2g 吸附剂和初始浓度为1 0 0 m g l 的m b 水溶液2 0m l ，在温度为2 9 3k 的恒温振荡器中振荡，间隔一定时 间取出样品，计算相应的吸附量。 吸附时间对吸附的影响，见图2 2 。由图2 2 可以看出，反应进行2 4 0m i n 后，吸附基本达到平衡。2 4 0m i n 被定为吸附平衡时间。吸附过程可以分成三个 阶段：反应前3 0m i n 内的快速吸附阶段，3 0 1 8 0r a i n 的慢速吸附以及1 8 0m i n 后 的平衡吸附过程。在吸附初始阶段，染料分子通过传质作用从溶液中快速扩散 到吸附剂表面；随后，由于吸附剂表面的许多活性官能团已经被染料分子占用， 1 5 荷叶对亚甲基蓝的吸附研究 因此染料分子缓慢地由边界层扩散到吸附剂表面及其内部，最后达到吸附动态 平衡【4 2 】。 图2 2 吸附时间对吸附的影响 f i g 2 2t h ee f f e c to fc o n t a c tt i m e0 1 1a d s o r p t i o n 2 3 2 吸附剂用量对吸附的影响 为了研究荷叶用量对其吸附亚甲基蓝的影响，取初始浓度为1 0 0m g l 的 m b 溶液2 0m l 置于含有不同吸附剂量的5 0m l 锥形瓶中，振荡到吸附平衡， 考察吸附剂用量对吸附的影响。结果如图2 3 所示。 2 卯 2 2 5 2 1 7 5 1 5 0 鼍1 2 5 占1 0 0 7 5 5 0 2 5 o - 2 5 图2 3 吸附剂用量对吸附的影响 f i g 2 3t h ee f f e c to fa d s o r b e n tc o n c e n t r a t i o no l la d s o r p t i o n 图2 3 显示了平衡吸附量g 。，染料去除率尸与吸附剂用量之间的关系。当 吸附剂浓度从o 2 5g l 增加到1 0g l ，染料去除率也从5 6 提高到9 5 1 。然而， 1 6 荷叶对亚甲基蓝的吸附研究 平衡吸附量却呈现相反的趋势。去除率的提高是由于当吸附剂量增加，吸附剂 的表面积和吸附亚甲基蓝的活性点位相应增加【2 】。平衡吸附量g 。由2 2 7 9m g g 降到9 5m g g ，是由于吸附剂之间的竞争吸附。当吸附剂荷叶浓度为1g l 时，g 。 为8 9 5m g g ，尸为9 1 7 。增加吸附剂用量，去除率几乎不发生改变，而吸 附量却急剧下降。 综合考虑吸附量和去除率，采用1g l 作为本实验吸附剂用量。 2 3 3p h 值对吸附的影响 为研究p h 值对吸附的影响，用o 1m o l lh c i 和o 1m o f ln a o h 调节溶液 p h 。将o 0 2g 荷叶放入2 0m l 初始浓度为1 0 0m g l 的m b 溶液，p h 在1 6 1 0 5 之间，固定其它条件不变，按照实验方法2 2 4 1 ，考察p h 值对吸附的影响。 图2 4p h 对吸附的影响 f i g 2 4t h ee f f e c to fp ho na d s o r p t i o n 在吸附过程中，溶液初始p h 是重要的影响因素。由于溶液中氢离子极易被 吸附，因此，p h 对染料阳离子的吸附有很强的干扰作用 2 1 。由图2 4 可见，溶 液初始p h 值的升高有利于荷叶颗粒对m b 的吸附。当p h 值由1 6 增加到3 6 ， 口。快速从2 4 9m g g 增加到8 8 6m g g 。在酸性条件下，溶液中会出现大量h + ， 染料阳离子和h + 的竞争吸附，使得吸附剂对m b 的吸附能力下降。当溶液初始 p h 值升高，吸附剂上的阴离子表面电位增加，由于静电吸引作用，吸附剂对 m b 的吸附能力加强【8 1 。然而，当p h 值在3 6 1 0 5 之间时，吸附量没有明显的 变化。这说明，在现在的研究体系中，静电作用并不是染料吸附的唯一控制机 1 7 荷叶对亚甲基蓝的吸附研究 理。通过实验，m b 水溶液本身的p h 值接近7 0 ，在其它因素的实验中可以不 予调节。 2 3 4 盐离子浓度对吸附的影响 通常印染废水中含有较高浓度的无机盐类，因此研究盐离子浓度对吸附的 影响是十分必要的。用n a c l 和c a c l 2 模拟染料废水中的盐离子。2 0m l 亚甲基 蓝水溶液中n a c l 或c a c l 2 在0 0 1 0 3m o l l 之间。考察盐离子浓度对吸附的影 响。如图2 5 所示，当溶液中n a c l 或c a c l 2 的浓度增加，g 。和尸分别下降。 n a c l 和c a c l 2 在水溶液中能释放出n a + 和c a 2 + ，这些离子与染料阳离子竞争吸 附，导致随盐离子浓度增加，吸附量和去除率均下降。实验结果与文献报道相 似【6 8 1 。 从图2 5 可以看出，当n a c i 、c a c l 2 在溶液中的浓度分别从0 增加到o 3m o l l 时，g 。从9 2 4m g g 分别降至6 0 2m g g 、1 9 1m g g ，p 也从9 4 8m g g 分别降 至6 1 4m g g 、1 9 1m g g 。在相同条件下，c a c l 2 对吸附的不利影响要比n a c l 大， 因为二价c a 2 + 比一价n a + 贡献了更多的正电荷。 图2 5 盐浓度对吸附的影响 f i g 2 - 5t h ee f f e c to fs a l ti o n i cs t r e n g t ho na d s o r p t i o n 2 3 5 在不同温度下染料初始浓度对吸附的影响 m b 水溶液的初始浓度在3 0 2 0 0m g l 之间，恒温振荡器分别在2 9 3k ，3 0 3 k ，3 1 3k 下连续振荡4h ，考察在不同温度条件下染料初始浓度对吸附的影响。 实验结果如图2 6 所示。 由图2 6 可见，在同一温度条件下，荷叶颗粒对m b 的平衡吸附量随染料初 1 8 荷叶对亚甲基蓝的吸附研究 始浓度的提高而增加。染料初始浓度为染料分子从溶液扩散到吸附剂表面的物 质转移提供必要的驱动力，克服两相间的阻力【8 1 。由图2 6 也可以看出，在相同 条件下，随温度的升高，吸附剂对m b 的吸附能力增强。这是由于高温加强了 m b 离子与吸附剂上活性点位之间的相互作用。表明荷叶对m b 的吸附可能是一 种吸热、化学吸附过程。 图2 6 染料初始浓度对吸附的影响 f i g 2 6t h ee f f e c to fi n i t i a ld y ec o n c e n t r a t i o no na d s o r p t i o n 2 3 6 荷叶吸附亚甲基蓝等温线研究 对于固液吸附系统，等温线是描述吸附行为的重要模型。当吸附达到平衡 状态，固体表面上吸附量g 。与溶液中的平衡浓度c e 在恒定温度下可用吸附等温 线来表达。根据吸附等温线的类型可以得知吸附剂表面的性质，吸附质在固液 相的分配以及吸附剂与吸附质之间的相互作用关系【4 2 】。用不同的等温线模型对 平衡实验数据进行非线性拟合，从理论上加深对吸附机理的认识。 几种常用的吸附等温线l a n g m u i r 、f r e u n d l i c h 、t e m k i n 、r e d l i c h - p e t e r s o n 、 k o b l e c o r r i g a n 模型被用来描述荷叶对亚甲基蓝的吸附行为。 ( 1 ) l a n g m u i r 等温线 l a n g m u i r 等温线模型假设吸附剂表面均匀；被吸附的物质之间没有相互作 用；当吸附剂表面为单分子层饱和吸附时，吸附量达到最大值。用l a n g m u i r 等 温线模型可以获得理论最大吸附量。 l a n g m u i r 方程表达式为： 1 9 荷叶对亚甲基蓝的吸附研究 旷麓 ( 2 3 ) 其中，g m 为单位吸附剂单分子层饱和吸附量( m g ) ；c e 为染料吸附平衡浓度 ( m g l ) ；q 。为平衡吸附量( m g g ) ：k l 为l a n g m u i r 常数( l m g ) 。 在不同温度条件下，实验点与其相应的l a n 舯u i r 非线性拟合曲线见图2 7 。 l a n g m u i r 参数如表2 1 所示。在3 1 3k ，荷叶对亚甲基蓝的最大饱和吸附量为2 4 1 4 m g g 。随温度的升高而增大，升高温度有利于荷叶对亚甲基蓝的吸附。 图2 7 荷叶吸附i v l b 的l a n g m u i r 等温线 f i g 2 7l a n g m u i ri s o t h e r mf o ra d s o r p t i o no fm bo n