竹炭对甲基橙溶液吸附行为的研究

-.z.竹炭对甲基橙溶液吸附行为的研究【摘要】：本文探索了竹炭对甲基橙溶液的吸附行为，测定了竹炭的粒径与投料量、以及溶液的pH值与浓度、吸附时间、温度等因素对甲基橙吸附性能的影响。结果说明：竹炭对甲基橙的吸附能力随其粒径的增大而降低；在甲基橙溶液的pH＝2～4酸度范围内，竹炭对甲基橙有较好的吸附能力,到达最正确吸附效果时溶液的pH为2。吸附质浓度增加，竹炭对其吸附率减小，而随着投料量的增加，则吸附率不断提高。竹炭对甲基橙的等温吸附服从Freundlich方程式.竹炭对甲基橙的吸附可在100min内到达平衡，最正确吸附温度为60℃。通过对这些参数的探索和测定，竹炭的吸附能力可以到达90％以上，竹炭能有效除去溶液中的甲基橙。【关键词】：竹炭甲基橙吸附1前言1.1染料污水的概况目前，随着水污染的加剧，改善我国水质问题已迫在眉睫。尤其是染料废水，据统计，在染料生产过程中，每生产1吨染料，要随废水损失2％的产品。而在印染过程中损失量更大，为所用染料的10％左右。染料废水具有有机物浓度高、色度高、无机盐含量高、成份复杂、可生化性差、脱色困难等特点，难以采用常规方法进展治理，且含有多种具有生物毒性或导致"三致〞〔致癌、致畸、致突变〕性能的有机物，一直是工业污水处理中的难点，也是当前国内外水污染控制领域急需解决的一大难题。据报道，染料废水中含有的苯环基、偶氮基等基团的染料使人易患膀胱癌。废水中残存的染料组分，即使浓度很低，排入水体亦会造成水体透光率的降低，而最终将导致水体生态系统的破坏[1]。1.2竹炭概况中国有着丰富的竹类资源和悠久的竹子栽培加工历史，素有"竹子王国〞之称，由于全球性的环境问题日益突出和人类环保意识的增加以及中国天然林保护工程的启动，国内的木材供需矛盾日益突出，限制了木炭产业的开展。而采用竹子烧制竹炭作为一种新型的环境保护材料和机能材料，既能获得经济效益、生态效益和社会效益，又能促进竹类资源的产业化开发和提升，具有广阔的开展空间，考察竹炭性能的研究进展能够进一步地拓展竹炭利用途径以及开发竹炭为原料的新产品，使其在环境保护、农业、食品等领域发挥更重要的作用，因此有着重要的意义[2]。竹炭是竹材热解得到的主要产品之一。竹炭的比外表积可达360m2·g-1，是普通木炭的2~5倍，假设进一步处理可达1000m2·g-1，相当于优质木炭的比外表积[3]，因而竹炭外表产生了吸附作用[4-5]本文作者研究了在酸性体系中竹炭对甲基橙溶液的吸附性能。测定了竹炭粒径和投料量、吸附质的pH值和浓度、吸附时间以及温度对竹炭吸附行为的影响。竹炭的特点是吸附速率快、吸附效果好、价格廉价、原料易得。因此，有可能成为一种处理甲基橙染料废水的有效新途径。2实验局部2.1实验原理甲基橙为橙红色鳞状晶体或粉末。微溶于水，较易溶于热水，不溶于乙醇。0.1％的水溶液是常用的测定pH值的指示剂，变色范围为pH3.1～4.4，由红色变黄色。它可用做酸碱滴定的指示剂、测定水的碱度，也可用于印染纺织品。其最大吸收波长为464nm，在该波长处进展比色测定，根据比尔定律求出其在水样中的浓度[6]。2.2主要仪器及试剂WJF-2000型分光光度计〔尤尼柯〔**〕仪器**〕；pHS-3C型精细pH计〔**伟业仪器厂〕；电热恒温水浴锅〔**仪表〔集团〕供售公司〕；8411A电动振筛机〔**市科联分析仪器**〕；SHB-3循环水多用真空泵〔**杜甫仪器厂〕；集热式恒温磁力加热搅拌器〔巩义市英谷予华仪器厂〕甲基橙〔粉末药品，**西陇化工厂〕、硫酸溶液(以上试剂均为分析纯)、竹炭〔连城鑫晟大科技**〕2.3吸附试验通过8411A电动振筛机选出不同粒径的竹炭4种，分别为40目〔0.45mm〕、60目〔0.28mm〕、80目〔0.175mm〕、100目〔0.15mm〕，然后用稀盐酸浸泡6h，接着用自来水和蒸馏水进展水洗，最后在90℃～100℃在一定温度下，称取50.0mg的竹炭于100mL的烧杯中，用25mL移液管量取甲基橙溶液并与竹炭均匀混合，静置一段时间。过滤取残液测定吸附后甲基橙溶液的吸光度。按式2-1、式2-2计算比吸附量Q与吸附率E[7-8]：Q=(Co-Ce)V/m;2-1E=(Co-Ce)/Co×100%;2-2式中：C0和Ce分别为甲基橙的初始浓度和吸附后的浓度，均为mg·L-1；V为甲基橙溶液的体积〔mL〕；m为竹炭质量(g)。3结果与讨论3.1竹炭粒径对吸附的影响分别称取50mg40目、60目、80目、100目竹炭各1份，参加25mLpH值为2.0的6mg·L-1的甲基橙溶液。在293K的温度下，静置120min后过滤，取滤液测定剩余甲基橙浓度，结果如表3-1所示。表3-1不同粒径的竹炭对甲基橙的吸附影响目数406080100吸光度浓度〔mg·L-1〕吸附率〔％〕0.0791.2379.50.0691.0182.30.0630.9683.90.0530.88086.7从表3-1中可以看出：竹炭在40目到100目之间，随着粒径的减小，吸附量明显增大。100目竹炭对甲基橙的吸附率较好。吸附剂的吸附能力均遵循一般的吸附规律，即同种吸附剂颗粒越小，其比外表积越大，吸附能力越强。以下实验中均选择100目竹炭。3.2吸附时间对吸附行为的影响分别称取50.0mg的竹炭8份，分别添加25mLpH值为2.0的6mg·L-1的甲基橙溶液，于293K下分别静置30min、50min、70min、90min、110min、130min、150min和170min后过滤，取残液测定甲基橙的浓度，结果如图3-1所示。从图3-1可以看出：在吸附的初始阶段，竹炭对甲基橙的去除率随时间的增加而急剧上升。当吸附时间超过90min后，吸附率的增加逐渐减小，在110min后，吸附率根本到达平衡。这主要是因为吸附初期，竹炭内部的孔隙有较大比外表积对甲基橙进展吸附。随着时间的推移，这些孔隙对吸附质的吸附逐渐到达饱和状态，吸附质很难被吸附到竹炭外表上，吸附量也开场减小，最终到达吸附平衡。图3-1吸附时间对吸附甲基橙的影响3.3溶液pH值对吸附的影响称取50.0mg的竹炭5份，分别添加25mLpH值为2.0、3.03、4.02、5.12、6.39和11.0的6mg·L-1的甲基橙溶液，在293K下静置100min后过滤，取残液测定甲基橙的浓度，并计算出吸附率，结果如图3-2所示。图3-2pH值对吸附行为的影响从图3-2可以看出：pH值在2～4的范围内，竹炭对甲基橙均有较好的吸附能力，能保持在60％以上，尤其是pH值为2时，吸附率为87.0％。当pH值大于4后，竹炭对甲基橙的吸附能力较小。在碱性条件下，竹炭对甲基橙的吸附率很低。竹炭的吸附特性取决于它的孔隙构造和它的外表组成。竹炭是由类似石墨的碳微晶按"螺层形构造〞排列，由微晶间的强烈交联形成了兴旺的微孔构造；通过高温烧制，竹炭外表形成大小不同的孔隙，并且孔隙外表构造出现不完整，加之灰分和其他杂原子的存在，使竹炭的根本构造产生缺陷和不饱和价，使氧原子和其它杂原子易吸附于这些缺陷上9-11]。竹炭外表所形成的水合氧化物随pH值的变化有如下的关系[12]：酸性中：H++MOH=M++H2O碱性中：OH-+MOH=MO-+H在酸性条件下，甲基橙呈醌式构造，其分子的磺酸根端带负电，可与M+形成化学键，在一定程度上促进了竹炭的吸附。而碱性条件下甲基橙带负电，与MO-相排斥，阻碍了竹炭对它的吸附。3.4初始浓度对吸附的影响准确称取50.0mg竹炭5份，分别添加25mL2mg·L-1、4mg·L-1、6mg·L-1、8mg·L-1和10mg·L-1的甲基橙溶液，293k下静置100min后过滤，取残液测定甲基橙的浓度，并计算出吸附率，结果如图3-3所示。图3-3吸附质的浓度对吸附的影响从图3-3可以看出：甲基橙的初始浓度越低，竹炭的吸附率越高，这主要是因为一定体积溶液中甲基橙的含量是随其浓度的增大而增大的，而单位质量的竹炭外表所能吸附甲基橙的量是一定的。因此，甲基橙的初始浓度越大，溶液中剩余甲基橙的量也就越大，去除率降低。但如果初始浓度太低，即使吸附率很高甲基橙吸附总量低，不能充分发挥竹炭吸附能力。因此，选择初始浓度约为6mg·L-1的甲基橙溶液作为研究对象，既能保持较高的吸附率，也具有一定的实际意义。3.5温度对吸附行为的影响称取50.0mg的竹炭6份，分别添加25mLpH值为2.0的6mg·L-1的甲基橙溶液，分别在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃和90℃下，静置60min后过滤，取残液测定甲基橙溶液的浓度，计算出相应的吸附率。结果如图3-4所示。图3-4温度对吸附的影响从图3-4可以看出，在40℃～60℃的范围内，竹炭对甲基橙的吸附率随着温度的升高而增大，可以到达86.7％；当温度高于60℃后，吸附率则是随着温度的升高而不断下降。尤其是在70℃时，吸附率均低于80％。这主要是因为温度升高，溶液中的甲基橙分子由于受热，具有较大的动能，可以促进其进入到竹炭孔隙中，并吸附在竹炭外表。继续升高温度，甲基橙分子的动能继续增大，从而使原本吸附在竹炭外表的甲基橙脱离而解吸。因此竹炭对甲基橙的吸附过程是由平衡状态到失去平衡到又恢复平衡，即不断经历吸附和解吸的过程。3.6竹炭用量对吸附的影响分别准确称取质量为0.3000g、0.6000g、0.9000g、1.2000g、1.5000g和1.8000g100目的竹炭6份于100mL烧杯，分别添加25mLpH值为2.0的6mg·L-1甲基橙溶液，在293K下静置100min后，取残液测定甲基橙的浓度，并计算出吸附率。结果如图3-5所示。图3-5竹炭用量对吸附的影响从图3-5可以看出：随着竹炭投放量的增加，吸附率也随之升高。但当投放量大于0.9g时，竹炭的吸附率变化很小。在静止状态下，吸附效果与吸附剂和溶液的有效接触面积有十分密切的关系。竹炭投加量较小时，竹炭颗粒能充分与溶液接触；当竹炭投加量逐渐增加，由于受到烧杯的底面积限制，溶液中的竹炭层的有效面积增加较小，则竹炭与溶液的有效接触面积增加亦较小，因此当竹炭增加到一定量以后，对甲基橙的吸附效果逐渐趋缓[13]。图3-6lgQ-lgC关系曲线并以293K时的lgQ-lgC作图〔图3-6〕，可得良好线性关系〔相关系数r=0.99708〕。说明等温吸附符合Freundlich等温式[14]。lgQ=(1/n)lgC+lgB式中：Q为比吸附量(mg/g)，C为吸附平衡时甲基橙浓度(mg·L-1)，n为Freundlich等温方程常数。在293K时，n=2.212，lgB=0.75526。4结论随着竹炭粒径的减小，其对甲基橙的吸附能力明显提高。pH值对甲基橙的吸附影响较大，最正确pH值为2.0。竹炭用量越大，其吸附甲基橙的效果越好，并且服从Freundlich等温吸附方程式。竹炭对甲基橙的吸附率随其浓度的增加而下降，但吸附总量增加。竹炭对甲基橙的最正确吸附温度为60℃，吸附可在100min内到达平衡。竹炭是吸附甲基橙的理想候选材料。参考文献[1]*文标,叶良明,*宏,等.竹炭生产和应用[J].竹子研究汇刊,2001,20(2):49-51.[2]王高伟,胡光洲,孔倩,等.竹炭性能的研究进展[J].竹子研究汇刊,2006,25(4);9-12.[3]*齐生,重视竹材化学利用，开发竹炭应用技术[J]．竹子研究汇刊，2001，20(3)：34-35.[4]KeiM.Removalofnitratenitrogenfromdrinkingwaterusingbamboopowdercharcoal[J].BioresourceTechnology,2004,95:255-257.[5]AbeI,FukuharaT,MaruyamaJ,etal.Preparationofcarbonaceousadsorbentsforremovalofchloroformfromdrinkingwater[J].Carbon,2001,39(7):1069-1073.[6]胡巧开.粉煤灰对甲基橙的吸附研究[J].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