花生殼對(duì) Cr(V I)的等溫吸附模型研究

張慶芳,楊國棟,胡顯峰,賈小寧,孔秀琴

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,蘭州 730050)

1 引 言

我國是花生生產(chǎn)大國,年產(chǎn)花生近 1.5×107t,花生殼約 5×106t。目前,花生殼除作為粗飼料外,大量的被燒掉或扔掉,造成了極大浪費(fèi),同時(shí)污染環(huán)境,因此對(duì)于花生殼的綜合利用已迫在眉睫。花生殼中含有兒茶酚、焦性沒食子酸和間苯三酚等多元酚和礦物質(zhì)、脂肪類以及大量的纖維素類物質(zhì),可以綜合利用。除此之外,花生殼具有較大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu),吸附能力強(qiáng),可將其用于廢水處理領(lǐng)域[1～3]。

筆者利用花生殼作為吸附劑,考察其對(duì)水溶液中 Cr(Ⅵ)的等溫吸附行為,對(duì)于開發(fā)利用這種價(jià)廉量大的農(nóng)業(yè)廢棄物,治理環(huán)境污染具有理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。目前國內(nèi)對(duì)于花生殼的吸附等溫理論研究較少。

2 等溫吸附線

吸附等溫線即在溫度一定的條件下,把吸附量隨吸附質(zhì)平衡濃度而變化的曲線。

2.1 吸附等溫模型

隨著對(duì)吸附過程的深入研究,許多學(xué)者將數(shù)學(xué)模型用于描述各種類型的吸附等溫線,其中描述單一組分稀水溶液吸附平衡的吸附等溫模型有 Langmuir和 Freundlich吸附模型,這兩種模型屬于非競爭模型。

2.1.1 Langmuir等溫吸附模型

Langmuir等溫吸附模型[4]基于以下假設(shè)：吸附是單分子層的;吸附劑與吸附質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)吸附,每一個(gè)吸附位上可吸附一個(gè)分子,吸附劑表面是均勻的,即均勻分布的各吸附位的吸附熱△H為一個(gè)常數(shù);被吸附的分子間相互不作用;當(dāng)達(dá)到平衡時(shí),分子撞擊表面而被吸附的速度與己吸附分子從表面上逃逸的速度相等。其線性表達(dá)式為：

式中：qe—平衡時(shí)的吸附量,mg/g;

qm—飽和吸附量,mg/g;

Ce—吸附平衡時(shí) Cr(V I)的濃度,mg/L;

b—吸附速率常數(shù),L/mg。

吸附速率常數(shù) b(Langmiur常數(shù))是一個(gè)吸附反應(yīng)吸附和解吸速率常數(shù)之比,是金屬離子與吸附劑結(jié)合穩(wěn)定性的量度,b越大表明兩者結(jié)合穩(wěn)定性越大。

2.1.2 Freundlich等溫吸附模型

Freundlich等溫吸附模型為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?是在多層吸附理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它的假設(shè)條件是表面能不均勻,其表達(dá)式為：

對(duì)兩邊取對(duì)數(shù),可得：

式中：qe—平衡時(shí)的吸附量,mg/g;

Ce—吸附平衡時(shí) Cr(V I)的濃度,mg/L;

KF—吸附劑吸附能力的量度;

n—吸附強(qiáng)度的量度。

Freundlich吸附等溫式在溶液吸附中應(yīng)用十分普遍。根據(jù) Freundlich理論,KF代表了吸附劑的單位吸附能力;1/n表明吸附劑的吸附強(qiáng)度,n值越大,吸附性能越好。一般認(rèn)為 n值為 2～10時(shí),容易吸附;n值小于 0.5時(shí),則難以吸附。n值也常用于判斷吸附過程的優(yōu)惠性,當(dāng) n＞1時(shí),是優(yōu)惠吸附;n=1時(shí),是線性吸附;n＜1時(shí),是非優(yōu)惠吸附。

3 實(shí)驗(yàn)材料與方法

將1.0g花生殼放入 50mL濃度分別為 50 mg/L、75 mg/L、100 mg/L、125 mg/L、150 mg/L的 Cr(V I)溶液,調(diào)節(jié)溶液的 pH值為 2.0,在最佳吸附溫度30℃下以 140r/min的速度振蕩 360min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 1和表 1[5]。

圖1 花生殼對(duì) Cr(V I)的吸附等溫線(30℃)Fig.1 Sorption isotherm of peanut shell to Cr(V I)at 30℃

表1 30℃下花生殼對(duì) Cr(V I)的等溫吸附結(jié)果Tab.1 Isother mal sorption of peanut shell to Cr(V I)at 30℃

4 結(jié)果與討論及分析

由圖 1和表 1可知,隨著 Cr(V I)初始濃度的增加,溶液中 Cr(V I)的平衡濃度 (Ce)也在增加,同時(shí)花生殼的平衡吸附量(qe)升高。

將表 1中的數(shù)據(jù)代入 Langmuir吸附等溫方程(1)和 Freundlich吸附等溫方程 (3)中,并以 Ce/qe對(duì) Ce,lnqe對(duì) lnCe作圖,結(jié)果如圖 2和圖 3所示,計(jì)算得出相關(guān)的系數(shù)列于表 2中。

表2 Langmuir和 Freundlich模型的相關(guān)參數(shù) (溫度 30℃)Tab.2 Related Parameters ofLangmuir and Freundlich model(30℃)

圖2 Langmuir吸附等溫模型曲線Fig.2 Curve ofLangmuir sorption isotherm model

圖3 Freundlich吸附等溫模型曲線Fig.3 Curve of Freundlich sorption isotherm model

由圖 2、圖 3和表 2可以得出以下結(jié)論：

(1)Langmuir和 Freundlich等溫吸附模型線性相關(guān)性符合均較好,相關(guān)系數(shù)大于 0.97,都可以很好的描述 Cr(V I)在花生殼上的吸附行為,但是相比而言,Langmuir等溫吸附模型符合得更好;

(2)在 Freundlich吸附等溫式中參數(shù) n=2.771,在 2～10之間,表明吸附容易發(fā)生;而且 n＞1,表明吸附是一個(gè)優(yōu)惠吸附過程;

(3)從Langmuir吸附等溫式的參數(shù)中可以判斷出吸附過程中存在最大飽和吸附量,其值為6.25mg/g。

[1] 張慶芳 .改性花生殼處理廢水中重金屬的實(shí)驗(yàn)研究[J].花生學(xué)報(bào),2008,37(3)：16-18.

[2] 張慶芳 .生物質(zhì)吸附劑—改性玉米芯脫色性能試驗(yàn)研究[J].化學(xué)與生物工程,2008,25(12)：60-62.

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[4] 周 雋 .木屑和花生殼對(duì)低濃度重金屬離子的吸附性能研究[D].南京：南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程系,2005.41-54.

[5] 張慶芳,楊國棟,孔秀琴,趙 祥 .改性花生殼吸附水中Cr6+的研究[J].化學(xué)與生物工程,2008,25(2)：29-31.