稻殼灰對亞甲基藍的吸附性能研究

包嵩 陳少茹 吳健 戴弘毅

摘要：采用一種簡單易操作的燃燒稻殼的方法，將制得的稻殼灰用于對染料廢水中亞甲基藍的吸附，考察吸附劑投加量、吸附時間、吸附溫度、初始溶液pH對吸附性能的影響。掃描電子顯微鏡顯示，制得的稻殼灰具有比表面積大、曲折度大、孔隙多等微觀形貌特點。實驗結(jié)果顯示，吸附平衡時間僅需60 min，具有高的吸附速率。當(dāng)吸附溫度為20℃、投加量為24 g/L、不改變?nèi)芤撼跏紁H時，稻殼灰對10.0 mg/L亞甲基藍溶液具有良好的去除效果。

關(guān)鍵詞：稻殼灰、亞甲基藍、吸附

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0060-04

中圖分類號：G632.41

文獻標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.014

一、研究背景

稻殼作為水稻加工的主要副產(chǎn)物，是一種廉價易收集的可再生資源。我國是世界上最大的水稻生產(chǎn)國，稻殼生成量約占全球1/3以上，大量的稻殼在農(nóng)村或糧米加工廠堆積如山，成為難以處理的農(nóng)業(yè)廢棄物。目前，國內(nèi)普遍的處理方式是將稻殼作為初級燃料，綜合利用率不到10%，并且燃燒后的殘余物稻殼灰大都沒有處理，稻殼灰質(zhì)量輕、難以集中堆置，容易隨著氣體流動而污染環(huán)境。因此，如何有效利用稻殼灰，對環(huán)境治理、農(nóng)業(yè)廢棄物利用等都具有重要的意義。

本課題變廢為寶，對稻殼灰資源化利用，采用一種簡單易操作的燃燒稻殼的方法，將制得的稻殼灰用于對染料廢水亞甲基藍的吸附，考察吸附劑投加量、吸附時間、吸附溫度、初始溶液pH對吸附性能的影響，并通過掃描電子顯微鏡對稻殼灰的微觀形貌進行表征，以期為稻殼灰用于染料廢水處理提供參考。[1-6]

二、研究過程

1．稻殼灰吸附劑的制備

將適量酒精倒入黃色的稻殼中，攪拌均勻后用火柴點燃（圖1），適當(dāng)攪拌使燃燒充分，待燃燒結(jié)束后，將黑色的稻殼灰自然冷卻，最后密封保存。

2．掃描電子顯微鏡（SEM）表征

將干燥后的稻殼灰作噴金處理，場發(fā)射掃描電子顯微鏡在1.0 kV加速電壓下觀察其微觀形貌。

3．亞甲基藍標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確配制濃度為0.35 mg/L、0.70 mg/L、1.40 mg/L、3.50 mg/L、7.00 mg/L、14.00 mg/L的亞甲基藍溶液，以蒸餾水作為參比液，利用分光光度計進行全波長掃描，測定其在最大吸收波長處的吸光度值。以濃度c為橫坐標(biāo)，吸光度A為縱坐標(biāo)，繪圖擬合后得到工作曲線方程。根據(jù)該方程，測出溶液的吸光度，則可求出對應(yīng)濃度，再根據(jù)以下公式求去除率Re。式中，Co、Ct分別為初始和t時刻溶液中亞甲基藍的濃度（mg/L）。

4．不同吸附劑投加量的比較

室溫下（約10℃），稱取0.30 g、0.60 g、0.90 g、1.20 g、1.50 g、1.80 g稻殼灰，分別加入100 mL錐形瓶中，再加50 mL 10.0 mg/L亞甲基藍溶液，將錐形瓶固定于脫色搖床上（圖2a），振蕩20 min后，分別吸取少量液體，以轉(zhuǎn)速3 000 rpm離心5 min，最后分別取上述清液（圖2b），測定其吸收曲線。

5．不同吸附時間的比較

室溫下（約10℃），在錐形瓶中分別加入1.80 g、2.70 g、3.60 g稻殼灰，再加150 mL 10.0 mg/L亞甲基藍溶液，將錐形瓶固定于脫色搖床上振蕩，定時吸取少量液體，以轉(zhuǎn)速3 000 rpm離心5 min，最后分別取上述清液，測定其吸收曲線。

6．不同吸附溫度的比較

在錐形瓶中分別加入0.90 g、1.20 9稻殼灰，再加50 mL 10.0 mg/L亞甲基藍溶液，將錐形瓶固定于水浴恒溫振蕩器中（圖3），分別在10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃條件下恒溫振蕩，轉(zhuǎn)速175 rpm，20 min后吸取少量液體，以轉(zhuǎn)速3 000 rpm離心5 min，最后分別取上述樣品的清液，測定其吸收曲線。

7．不同初始pH的比較

室溫下（約10℃），在錐形瓶中加入50 mL 10.0 mg/L亞甲基藍溶液，用NaOH和鹽酸調(diào)節(jié)pH，再加1.20 g稻殼灰，將錐形瓶固定于脫色搖床上振蕩20 min，再分別吸取少量液體，以轉(zhuǎn)速3 000 rpm離心5 min，最后分別取上述樣品的清液，測定其吸收曲線。

三、數(shù)據(jù)記錄與分析

1．亞甲基藍的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程

根據(jù)吸收光譜（圖4a）可以看出，亞甲基藍在667 nm處有一最強吸收峰，文獻記載最大吸收波長是664 nm，這可能與儀器、實際樣品有關(guān)，因此后續(xù)實驗中選擇667 nm作為實際測定波長。以濃度c為橫坐標(biāo)，吸光度4為縱坐標(biāo)，擬合后得到工作曲線方程：A=0.1537c-0.0167。結(jié)果顯示，在0-14.0 mg/L濃度范圍內(nèi)，線性較好R2=0.9997（圖4b）。

2．不同吸附劑投加量的比較

吸附劑的投加量直接關(guān)系著對亞甲基藍溶液的吸附效果，也與吸附成本密切相關(guān)，因而在實際應(yīng)用中是一個重要的考察指標(biāo)。由圖5a可知，隨著稻殼灰投加量的增加，去除率逐漸提高，可能是因為吸附劑提供的吸附位點隨吸附劑投加量的增加而相應(yīng)增多，吸附位點可以有效地與溶液中的亞甲基藍發(fā)生相互作用，因此去除率呈現(xiàn)快速上升趨勢。當(dāng)投加量超過24 g/L時，去除率趨于穩(wěn)定，這是因為吸附劑投加量增大時吸附劑顆粒之間的聚合作用對吸附過程產(chǎn)生阻礙。此外，投加量越多，提取清液也越困難，更會使清液摻有更多的雜質(zhì)，其吸收曲線峰形也有所偏差（圖5b）。因此，實驗結(jié)果表明，室溫下（約10℃），當(dāng)吸附劑投加量為24 g/L時，振蕩吸附20 min即可達到良好的吸附效果，對10.0 mg/L亞甲基藍的去除率達80.9%，提取清液較簡便，且吸附成本也較低。

3．不同吸附時間的比較

吸附時間是考察吸附劑實際應(yīng)用價值的一個重要指標(biāo)，時間越長會導(dǎo)致處理周期延長，則經(jīng)濟效益也會受到影響。由圖6可知，隨著吸附時間的增加，稻殼灰對亞甲基藍的去除率在前10 min迅速升高，這主要是因為稻殼灰的比表面積大，表面具有大量吸附空位。隨著時間的增加，吸附空位逐漸被填滿，因而去除率增速減緩，經(jīng)過60 min后吸附趨于平衡，而超過60 min后提取清液逐漸困難，更會使清液摻有更多的雜質(zhì)，其吸收曲線峰形也有所偏差。因此，實驗結(jié)果表明，室溫下（約10℃），當(dāng)吸附劑投加量為24 g/L、吸附時間為60 min時，即可達到良好的吸附效果，對10.0 mg/L亞甲基藍的去除率達87.9%，提取清液較簡便，且處理周期也較短。

4．不同吸附溫度的比較

由圖7可知，吸附溫度對稻殼灰的吸附性能影響很大。隨著溫度的升高，稻殼灰對亞甲基藍的去除率逐漸提高，這可能是因為溫度較高時，稻殼灰中殘存的油類物質(zhì)會與稻殼灰分離而懸浮于液面上，使稻殼灰中被油類堵塞的空隙數(shù)目減少，吸附位點增多?？紤]成本因素，選取20℃，此溫度下即可達到良好的吸附效果。

5．不同初始溶液pH值的比較

溶液的pH值是影響吸附效果的重要因素。由圖8可知，整體而言，去除率變化幅度不大（72%- 84%）。pH值越小越不利于吸附，這可能因為亞甲基藍是陽離子染料，氫離子濃度越大時，會與陽離子染料發(fā)生競爭吸附，導(dǎo)致吸附能力降低。室溫下（約10℃），隨著pH值的增大，去除率緩慢升高，最佳的吸附pH為8。實際測得亞甲基藍溶液的初始pH約為7，為考慮操作簡便，則不改變?nèi)芤撼跏紁H。

6．稻殼灰的微觀形貌分析

通過掃描電子顯微鏡（SEM）表征（圖9），可以顯示出稻殼灰有許多溝壑，具有比表面積大、曲折度大、孔隙多等微觀形貌特點，能夠提供大量活性吸附位點，利于吸附其他物質(zhì)于表面，由此說明稻殼灰具有較好的吸附能力。

四、結(jié)論

本課題采用一種簡單易操作的燃燒稻殼的方法，制備的稻殼灰呈現(xiàn)黑色，說明含碳量較高，具有良好的活性，掃描電子顯微鏡顯示其具有比表面積大、曲折度大、孔隙多等微觀形貌特點。吸附實驗結(jié)果表明，當(dāng)吸附溫度為20℃、投加量為24 g/L、不改變?nèi)芤撼跏紁H、振蕩吸附時間為20 min時，稻殼灰對10.0 mg/L亞甲基藍溶液的去除率即可達83.9%。此外，稻殼灰是一種低成本的吸附劑，平衡時間僅需60 min，具有快速的吸附速率。

大氣污染防治條例實施后，部分城區(qū)企業(yè)將禁止使用燃煤鍋爐，若企業(yè)把原有鍋爐改造為使用稻殼作為燃料，再將稻殼灰用于處理印染廢水，不但可以減小更新鍋爐的投入，而且具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。本課題為稻殼灰用于染料廢水預(yù)處理提供了一定的參考。

我國是世界上最大的水稻生產(chǎn)國，隨著科技的發(fā)展，以稻殼為原料的研究必將不斷深入。我們要充分利用稻殼灰的吸附性能，將稻殼灰制成能夠靈活使用的吸附載體，積極拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，這一方向是值得繼續(xù)研究的。

參考文獻

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