廢棄板栗殼粉對水中陽離子染料的吸附行為

郭志群，李勝方,*,謝雍第，陶 敏，王小波,王漢林

(1湖北理工學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院,湖北 黃石 435003;2湖北理工學(xué)院 礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點實驗室,湖北 黃石 435003)

廢棄板栗殼粉對水中陽離子染料的吸附行為

郭志群1，李勝方1,2*,謝雍第1，陶 敏2，王小波1,王漢林2

(1湖北理工學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院,湖北 黃石 435003;2湖北理工學(xué)院 礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點實驗室,湖北 黃石 435003)

以板栗殼粉為生物吸附劑，對亞甲基藍和堿性品紅的吸附行為進行研究?？疾炝宋綍r間、染料起始濃度、溫度對吸附性能的影響，結(jié)果表明：25 ℃下，板栗殼粉對亞甲基藍(堿性品紅)的吸附在150 min內(nèi)達到平衡；隨著亞甲基藍(堿性品紅)的初始濃度從60 mg/L增加到120 mg/L，平衡吸附量從23.130 mg/g(18.309 mg/g)增加到29.220 mg/g(32.704 mg/g)；其平衡吸附量隨著溫度的升高而增加，在35 ℃時的平衡吸附量分別達到31.650 mg/g、36.661 mg/g。板栗殼粉對2種染料的吸附都遵循2級吸附動力學(xué)模型，吸附等溫線更適合Langmuir熱力學(xué)模型。紅外光譜分析結(jié)果表明板栗殼粉對2種染料的吸附機理為氫鍵吸附。

板栗殼粉；陽離子染料；生物吸附劑；吸附

染料廢水具有有機污染物含量高、組分復(fù)雜、生物毒性大、難生物降解等特點，這些有機污染物容易致癌、致畸和致突變。目前在全世界已經(jīng)使用的染料多達萬種，產(chǎn)生的染料廢水使許多河川、湖泊等水域都受到了嚴(yán)重污染，因此關(guān)于染料廢水的防治已經(jīng)引起人們高度關(guān)注[1-2]。染料廢水的處理方法有很多，其中吸附法是最常用的方法之一。吸附劑在吸附法中起到關(guān)鍵作用，常用的吸附劑有活性炭、沸石、離子交換樹脂和聚合物凝膠等[3-4]。然而大多數(shù)的吸附劑存在價格較高、使用工藝復(fù)雜等缺點?，F(xiàn)在已經(jīng)有許多關(guān)于用廉價的農(nóng)作物廢棄物如果皮或秸稈等作吸附劑處理染料廢水的報道[5-7]，然而還鮮見用廢棄板栗殼粉處理染料廢水的報道。

板栗又名栗、風(fēng)臘，是殼斗科栗屬的植物，原產(chǎn)于中國，分布于越南、中國臺灣以及中國大陸等地，多見于山地，已在我國許多地方進行大面積人工栽植。板栗果實營養(yǎng)豐富，可以食用，然而板栗在加工時，大量的板栗殼被丟棄或者堆放，對環(huán)境造成大量的污染，如何去除廢棄板栗殼的污染也是急待解決的環(huán)境污染問題。將廢棄的板栗殼磨成細(xì)粉，作為生物吸附劑用于吸附處理染料廢水，使板栗殼變廢為寶。主要研究了板栗殼粉對水中陽離子染料(亞甲基藍和堿性品紅)的吸附性能，考察了吸附時間、染料初始濃度、溫度對吸附性能的影響，并對吸附過程進行了動力學(xué)和熱力學(xué)模擬。

1 實驗部分

1.1實驗原料

板栗購買于黃石市農(nóng)貿(mào)市場。將板栗破開，去除內(nèi)面果實得板栗殼。再將板栗殼用去離子水沖洗干凈，放在80 ℃恒溫干燥箱中處理12 h。待干燥后用高速粉碎機將板栗殼粉碎，過篩后保留20～40目的顆粒，將其密封保存，待實驗時使用。亞甲基藍、堿性品紅為分析純，購于天津市大茂化學(xué)試劑廠，使用前沒有進一步純化，直接使用。

1.2染料標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

將200 mg/L的亞甲基藍溶液和200 mg/L的堿性品紅溶液分別稀釋為濃度成1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、8 mg/L、16 mg/L的溶液;然后用紫外可見分光光度計在相應(yīng)的波長處測定亞甲基藍和堿性品紅在各個濃度處的吸光度，即可以得到亞甲基藍和堿性品紅的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3染料的吸附試驗

先將已經(jīng)配制好的200 mg/L亞甲基藍或堿性品紅溶液分別稀釋為60 mg/L、80 mg/L、100 mg/L、120mg/L這4種不同濃度的亞甲基藍或堿性品紅溶液，各取80 mL于小燒杯中；然后將已經(jīng)制備好的板栗殼粉取4份(每份150 mg)，分別加入到4種不同濃度的亞甲基藍或堿性品紅溶液中，并在每個燒杯中加入1個小磁子，再將4個盛有溶液的小燒杯分別放入4個集熱式恒溫磁力攪拌器中，打開攪拌器并都設(shè)置為25 ℃，然后每隔一段時間取一定量的溶液于比色皿中，測其吸光度，根據(jù)已繪制好的標(biāo)準(zhǔn)曲線即可讀取該時刻的溶液濃度；再根據(jù)式(1)和式(2)便可計算出對亞甲基藍或堿性品紅溶液的去除率N、板栗殼粉的平衡吸附量Qe。

(1)

(2)

式(1)～(2)中，C0為染料溶液的初始濃度(mg/L)；Ce為吸附后染料溶液的濃度(mg/L)；V為染料溶液的體積(mL)；M為板栗殼粉的質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與討論

2.1吸附時間對吸附效果的影響

在25 ℃時選取板栗殼粉對濃度為100 mg/L的亞甲基藍溶液和堿性品紅溶液進行吸附，吸附時間對去除率和平衡吸附量的影響如圖1所示。由圖1可知板栗殼粉對堿性品紅的吸附效果比亞甲基藍要好。在120 min后，板栗殼粉對2種染料的吸附量不再增加，說明吸附已經(jīng)達到平衡。板栗殼粉對亞甲基藍的平衡吸附量為27.770 mg/g，最大去除率為55.5%；對堿性品紅的平衡吸附量為30.491 mg/g，最大去除率為57.7%。

(a) 去除率與吸附時間的關(guān)系

(b) 吸附量隨吸附時間的變化

2.2吸附動力學(xué)分析

研究吸附理論的一個很重要的模型就是吸附動力學(xué)模型，將圖1得到的數(shù)據(jù)進行1級動力學(xué)(見式3)和2級動力學(xué)(見式4)模擬[8-10]。

log(Qe-Qt)=logqe-k1t/2.303

(3)

(4)

式(3)～(4)中，Qe為實驗平衡吸附量(mg/g)；qe為理論平衡吸附量；Qt為t時刻的吸附量(mg/g)；t為吸附時間(min)；k1為1級吸附速率常數(shù)(min-1)；k2為2級吸附速率常數(shù)(min-1)。

經(jīng)過畫圖模擬、線性回歸，得到板栗殼粉對亞甲基藍、堿性品紅的1級動力學(xué)方程和2級動力學(xué)方程擬合參數(shù)分別見表1和表2。比較相關(guān)系數(shù)可以看出，板栗殼粉對亞甲基藍和堿性品紅溶液的2級吸附動力學(xué)方程比1級吸附動力學(xué)方程相關(guān)性更好，說明其吸附遵循2級吸附動力學(xué)模型。

表1 板栗殼粉對亞甲基藍的1級動力學(xué)方程和2級動力學(xué)方程的擬合參數(shù)

表2 板栗殼粉對堿性品紅的1級動力學(xué)方程和2級動力學(xué)方程的擬合參數(shù)

2.3染料的初始濃度對吸附效果的影響

在25 ℃下研究板栗殼粉對堿性品紅和亞甲基藍的平衡吸附量與染料初始濃度的關(guān)系，其結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，平衡吸附量隨初始濃度增加而增加。這主要是因為吸附劑的內(nèi)外濃度差變大引起傳質(zhì)推動力變大，導(dǎo)致吸附速度加快、平衡吸附量增大。當(dāng)亞甲基藍的濃度由60 mg/L增大到120 mg/L時，對應(yīng)的平衡吸附量由22.855 mg/g增加到28.490 mg/g。然而對堿性品紅來說，其平衡吸附量由18.245 mg/g增加到32.155 mg/g。板栗殼粉對堿性品紅的最大吸附量要高于對亞甲基藍的最大吸附量。

(a) 板栗殼粉對堿性品紅的吸附

(b) 板栗殼粉對亞甲基藍的吸附

2.4溫度對吸附效果的影響

在25 ℃、30 ℃和35 ℃下，選取板栗殼粉對濃度為100 mg/L的亞甲基藍和堿性品紅溶液進行吸附，研究溫度和平衡吸附量之間的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，溫度從25℃升到35℃，板栗殼粉對二者的平衡吸附量都在升高，說明隨著溫度的升高，板栗殼粉對二者的吸附量增加，故升高溫度對吸附有利。

圖3 溫度對平衡吸附量的影響

2.5吸附等溫線

吸附等溫線是平衡濃度和平衡吸附量之間對應(yīng)的關(guān)系曲線，常用的有Langmuir、Tempkin、Freundlich這3種吸附等溫線方程[11-13]，其對應(yīng)的表達式分別如下：

(5)

Qe=BlnA+Blnce

(6)

(7)

式(5)～(7)中，Qe為平衡吸附量(mg/g)；Qm為最大吸附量(mg/g)；KL為Langmuir 吸附常數(shù)(L/mg)；KF為Freundlich 吸附常數(shù)(L/g)；n為Freundlich 吸附常數(shù)；A和B為Tempkin常數(shù)；Ce為平衡濃度。將25 ℃、30 ℃和35 ℃下板栗殼粉對亞甲基藍和堿性品紅的吸附數(shù)據(jù)按等溫式(5)～(7)的要求分別處理，得到擬合參數(shù)(見表3)。由表3可知3種等溫吸附方程中,Langmuir 等溫方程相關(guān)性更好，吸附等溫線更適合Langmuir熱力學(xué)模型。

表3 不同溫度下板栗殼粉對亞甲基藍和堿性品紅的吸附模型擬合參數(shù)

2.6吸附機理

對亞甲基藍和堿性品紅吸附前后的板栗殼粉紅外光譜圖如圖4所示。由圖4可知，3 443 cm-1處的吸收峰表明在板栗殼粉表面存在羥基。2 928 cm-1處為C-H基的伸縮振動峰，1 622 cm-1處為C = O、C-O和O-H的指紋峰,1 392 cm-1處為C-H的彎曲振動峰，1 161和1 023 cm-1處為C-N基的吸收峰。比較吸附陽離子染料前后板栗殼粉的紅外光譜，在板栗殼粉吸附染料后觀察到-OH和-NH的吸收峰變寬，說明染料分子與板栗殼之間存在氫鍵作用[13]。由于氫鍵作用，染料分子被較好地吸附在板栗殼粉表面。

圖4 吸附前后板栗殼粉的紅外光譜圖

3 結(jié)論

以廢棄的板栗殼粉為生物吸附劑吸附處理水中的陽離子染料，探討了各種因素對吸附效果的影響。結(jié)果表明板栗殼粉對堿性品紅的吸附效果比對亞甲基藍的吸附效果要好。板栗殼粉對亞甲基藍的平衡吸附量為27.770 mg/g，最大去除率為55.5%；對堿性品紅的平衡吸附量為30.491 mg/g，最大去除率為57.7%。板栗殼粉對2種染料的平衡吸附量隨初始濃度增加而增加。當(dāng)染料的初始濃度一定時，平衡吸附量隨溫度的升高而增加，在35 ℃時板栗殼粉對亞甲基藍和堿性品紅的平衡吸附量分別可以達到31.650 mg/g和36.661 mg/g。動力學(xué)和熱力學(xué)模擬表明板栗殼粉對2種染料的吸附都遵循2級吸附動力學(xué)模型，吸附等溫線更適合Langmuir熱力學(xué)模型。板栗殼粉對2種染料的吸附機理為氫鍵吸附。

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Adsorption Behavior of Waste Chestnut Shell Powder Towards Cationic Dyes from Aqueous Solution

GuoZhiqun1,LiShengfang1,2*,XieYongdi1,TaoMin2,WangXiaobo1,WangHanlin2

(1School of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

The adsorption behavior of chestnut shell powder as biosorbent towards methylene blue and basic magenta was studied.The effects of adsorption time,the initial concentration of dyes and the temperature on the adsorption property were investigated.The result indicated that the adsorption of chestnut shell powder towards methylene blue (magenta) reached equilibrium in 150 minutes.The equilibrium amount of methylene blue (basic magenta) increased from 23.130 mg/g (18.309 mg/g) to 29.220 mg/g (32.704 mg/g) when the initial concentration of dyes increased from 60 mg/L to 120 mg/L.The equilibrium amount of methylene blue (basic magenta) also increased along with the increase of temperature.The value can reach 31.650 mg/g and 36.661 mg/g at 30 ℃,respectively.The adsorption of chestnut shell powder towards two dyes followed the second order adsorption kinetic model.The adsorption isotherm was proper for Langmuir thermodynamic model.FTIR showed that the adsorption mechanism of chestnut shell powder towards two dyes was hydrogen bonding interaction.

chestnut shell powder;cationic dye;biosorbent;adsorption

2017-06-17

教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金項目(項目編號教外司留[2014]1685);礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點實驗室開放基金項目(項目編號2017109)。

郭志群,本科生。

*通訊作者：李勝方,教授，博士，研究方向：高性能樹脂及其復(fù)合材料、環(huán)境功能材料等。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.05.008

O632.6

A

2095-4565(2017)05-0035-05

(責(zé)任編輯高嵩)