黄麻纤维活性炭对亚甲基蓝和甲基橙溶液的吸附性能研究*

刘其霞 何丽芬 杨佳慧 季 涛 高 强

(南通大学炭纤维应用技术研究所，南通，226019)

1 试验

1.1 试剂

所用试剂有:磷酸、浓盐酸、氢氧化钠、MB、MO，均为市售分析纯产品;蒸馏水，氮气。MB与MO的相关参数列于表1［9-10］。

1.2 试验仪器与设备

V-1200型紫外可见分光光度计(上海美谱达有限公司)，BS124S型精密电子天平(北京赛多利斯科学仪器有限公司)，SHA-C型水浴恒温振荡器(金坛市恒丰仪器厂)，GSL-1400X型真空管式炉(合肥科晶材料技术有限公司)。

表1 MB与MO相关参数

1.3 黄麻纤维活性炭样品的制备

根据前期制备工艺优化试验得出的结果，本试验使用的黄麻纤维活性炭样品的制备方法为:称取10 g干燥的黄麻纤维，加入200 mL浓度为4 mol/L的磷酸溶液中混合搅拌均匀，煮沸5 h，取出烘干后，置于真空管式炉;在氮气保护下，升温至450℃活化1 h，然后等产物冷却至室温后将其取出，用蒸馏水洗至中性后烘干即可。采用低温氮吸附法测试得出，该工艺条件下制得的黄麻纤维活性炭比表面积为1 484 m2/g，平均孔径为3.27 nm。

1.4 活性炭样品对染料溶液吸附性能的测试

1.4.1 染料吸光度—浓度标准工作曲线的绘制

精确配制一定浓度的MB和MO溶液，以蒸馏水作为参比液，采用紫外可见分光光度计，分别在660和464 nm波长处测定其吸光度，绘制出两种染料的吸光度—浓度标准工作曲线，并对其进行线性拟合，结果如图1和表2所示。

表2 染料的标准工作曲线方程

1.4.2 染料去除率和吸附量的测定

（2）密度。在所有患者中，密度表现均匀的患者有10例，比例为27.8%；空泡征患者有8例，比例为22.2%；支气管气像的患者有6例，比例为16.7%；蜂窝状改变的患者有2例，其比例为5.56%。钙化的患者有4例，其比例为11.11%；空洞的患者有2例，其比例为5.56%；而密度不均匀的患者有8例，其比例为22.22%。36例周围型小肺癌患者中，空泡征表现为结节内点状低密度影，其直径较小，处于1mm至2mm之内；而结节内部管状气体密度影，则是支气管气像，有时候会出现分支的表现；钙化的密度表现为细砂粒样，在分布特点上是自中或者是偏自的分布形式。

将一定量的活性炭投入装有一定体积和浓度的染料溶液的烧杯中，在特定温度和pH值下以150 r/min的速度振荡一定时间后，过滤于试管中。采用分光光度计测定剩余染料的吸光度，得出剩余染料的质量浓度，并按式(1)计算染料的去除率η:

图1 两种染料溶液的吸光度—浓度标准工作曲线

式中:C0——初始染料浓度，mg/L;

C——剩余染料浓度，mg/L。

染料的吸附量计算公式如下［10］:

式中:Q——吸附量，mg/g;

C0——初始染料浓度，mg/L;

C——剩余染料浓度，mg/L;

V——染料溶液的体积，L;

m——加入的活性炭的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 染料溶液初始浓度对黄麻纤维活性炭吸附效果的影响

为了考察染料溶液初始浓度对黄麻纤维活性炭吸附效果的影响，在装有50 mL初始浓度分别为200、300、400、500、600 mg/L 的 MB 或 MO 溶液的烧杯中，分别投入0.1 g黄麻纤维活性炭，调节溶液pH值为7，在25℃条件下振荡2 h后过滤。分析溶液中剩余MB或MO的浓度，计算出染料的去除率和吸附量，结果如图2所示。

图2 染料溶液初始浓度对黄麻纤维活性炭吸附效果的影响

由图2可知，随着染料溶液初始浓度的增大，黄麻纤维活性炭对染料的去除率呈下降趋势，当初始浓度超过500 mg/L时，下降趋势明显加快;染料吸附量随初始浓度的增加而增大，但逐渐趋缓。这是由于活性炭用量一定时，活性炭对染料的吸附量是有限的，当初始浓度达到500 mg/L时，其对染料的吸附已基本达到饱和。所以随着染料溶液初始浓度继续增大，虽然仍有部分染料被吸附导致吸附量略有增大，但去除率却大幅降低。

2.2 活性炭投加量对黄麻纤维活性炭吸附效果的影响

为了考察活性炭投加量对黄麻纤维活性炭吸附效果的影响，在装有50 mL初始浓度为500 mg/L的MB或MO溶液的烧杯中，分别投入0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 g 黄麻纤维活性炭，调节溶液 pH值为7，在25℃条件下振荡2 h后过滤。分析溶液中剩余MB或MO的浓度，计算出染料的去除率和吸附量，结果如图3所示。

图3 活性炭投加量对染料去除率和吸附量的影响

由图3可知，在活性炭投加量较小时，随着活性炭投加量的增加，黄麻纤维活性炭对染料的去除率和吸附量均大幅提高。如当活性炭投加量为0.05 g时，活性炭对 MB的去除率为 78.34%，吸附量为170.32 mg/g;当投加量提高至0.10 g时，其对MB的去除率提高到99.43%，吸附量则达到248.58 mg/g。但是当活性炭投加量超过0.10 g时，MB的去除率和吸附量增加趋势逐渐变缓。这主要是因为在投加量为0.10 g时，活性炭对染料的吸附已基本达到了平衡。

2.3 吸附时间对黄麻纤维活性炭吸附效果的影响

为了考察吸附时间对黄麻纤维活性炭吸附效果的影响，在装有50 mL初始浓度为500 mg/L的MB或MO溶液的烧杯中，分别投入0.1 g黄麻纤维活性炭，调节溶液pH值为7，在25℃条件下分别振荡 30、60、90、120、150 min 后过滤。分析溶液中剩余MB或MO的浓度，计算出染料的去除率和吸附量，结果如图4所示。

由图4可知，活性炭对两种染料溶液的吸附速率存在较大差异。在吸附的初始阶段，MB的吸附速率明显高于MO，当吸附时间为30 min时，MB的吸附量为 238.34 mg/g，而 MO的吸附量仅为202.65 mg/g。之后，随着吸附时间的延长，MB的吸附速率逐渐趋缓，去除率和吸附量缓慢上升，在吸附时间为2 h时吸附基本达到平衡。这可能是因为在吸附的初始阶段活性炭对染料分子的吸附是一种分子表面之间的作用;随后，染料分子借助孔的扩散作用逐渐由活性炭表面进入活性炭孔隙内;随着活性炭对染料分子吸附量的增大，活性炭孔隙内染料分子逐渐增多，大量的吸附位被占据，从而导致吸附速度逐渐减慢，因而需要较长的时间来达到吸附平衡［11］。然而MO在慢速吸附阶段的吸附速率反而有所上升，甚至超过了MB。这主要是由两种染料分子的尺寸不同而引起的，由表1可知，MO的分子尺寸大于MB分子，因此在吸附的初始阶段因受到较大的阻力而吸附速率较慢，吸附量较小，慢速吸附阶段活性炭内部仍有大量吸附位未被占据，时间的延长有利于分子的扩散，因此在慢速吸附阶段吸附速率反而加快［10］。

图4 吸附时间对染料去除率和吸附量的影响

2.4 水浴温度对黄麻纤维活性炭吸附效果的影响

为了考察水浴温度对黄麻纤维活性炭吸附效果的影响，在装有50 mL初始浓度为500 mg/L的MB或MO溶液的烧杯中，投入0.1 g黄麻纤维活性炭，调节溶液 pH 值为7，分别在25、30、35、40、45℃的水浴温度条件下振荡2 h后过滤。分析溶液中剩余MB或MO的浓度，计算出染料的去除率和吸附量，结果如图5所示。

由图5可知，随着水浴温度的升高，染料的去除率和吸附量变化不大，但总体上呈现出缓慢增加的趋势。这一方面是因为温度的升高，使染料分子的活跃度增加，从而加快了染料分子的迁移速度，促进了活性炭对染料分子的吸附;另一方面是因为温度的升高能使活性炭内部的孔隙膨胀，起到了一定的扩孔作用，从而使活性炭的吸附量增大［12］。

图5 水浴温度对染料去除率和吸附量的影响

2.5 染料溶液pH值对黄麻纤维活性炭吸附效果的影响

为了考察染料溶液pH值对黄麻纤维活性炭吸附效果的影响，在装有50 mL初始浓度为500 mg/L的MB或MO溶液的烧杯中，投入0.1 g黄麻纤维活性炭，调节溶液 pH 值分别为 2、4、6、8、10，在25℃条件下振荡2 h后过滤。分析溶液中剩余MB或MO的浓度，计算出染料的去除率和吸附量，结果如图6所示。

图6 染料溶液pH值对染料去除率和吸附量的影响

从图6可以看出，随着染料溶液pH值的增加，黄麻纤维活性炭对MB的去除率和吸附量逐渐增加，当pH＜6时，其增加趋势较为明显;当pH＞6时，其增加趋势较为平缓。由此可知，对MB的吸附在染料溶液接近中性(pH=6)时最佳，去除率为99.33%，吸附量为248.43 mg/g。这主要是因为MB为阳离子型染料，溶于水呈一价有机阳离子，在酸性条件下，活性炭表面带正电荷的基团对MB的吸附产生了一定的遏制作用，而在中性条件下，活性炭表面的极性会因溶液中双电荷层的形成而发生改变，从而导致其对MB的去除率大幅提高［13-14］。从图6还可以看出，随着染料溶液pH值的增加，黄麻纤维活性炭对MO的去除率和吸附量逐渐减小，在强酸条件(pH=2)下，活性炭对其吸附效果最好，去除率为95.42%，吸附量为213.78 mg/g。

2.6 黄麻纤维活性炭对MB和MO吸附机理的探讨

将图2～图6进行对比分析可以看出，黄麻纤维活性炭对MB的吸附量均高于MO，产生这种差异的原因主要是由于活性炭对染料的吸附效果与染料分子尺寸、染料分子与活性炭表面作用力等因素密切相关。由表1可知，MB的和分子尺寸为1.43 nm ×0.55 nm ×0.16 nm，MO 的分子尺寸为1.47 nm ×0.53 nm ×0.53 nm，两种分子尺寸均小于黄麻纤维活性炭样品的平均孔径(3.27 nm)，因而都能够进入活性炭的内部孔隙进行扩散。但是与MO分子相比，MB分子所占空间较小，因而能被更小的孔隙吸附，并且由于其在扩散过程中受到的阻力较小，更易进入活性炭内部与吸附位结合，因此具有更高的吸附量［10，15］。

除染料分子尺寸外，活性炭表面官能团会影响染料分子与活性炭表面的作用力，因而对吸附量也有一定的影响［16］。通常表面官能团分为酸性、碱性和中性三种，在活性炭热解过程中，黄麻纤维在磷酸的作用下表面会生成酮和酯等含有羰基的酸性官能团，它们能促进活性炭对碱性物质的吸附，而对酸性物质吸附不利。而MB是一种碱性染料，MO是一种酸性染料，因而黄麻纤维活性炭对MB的吸附量要高于MO。

3 结语

本文对黄麻纤维活性炭对MB和MO染料溶液的吸附性能进行了研究，得到如下结论:

(1)随着染料溶液初始浓度的增加，活性炭对染料的去除率逐渐降低，吸附量随初始浓度的增加而增大，但增量逐渐减缓;随着活性炭投加量的增加，活性炭对染料的去除率和吸附量逐渐增大，达到吸附平衡后，增幅逐渐变小;染料的去除率和吸附量随吸附时间的延长均逐渐增大，在吸附初始阶段，活性炭对MB的吸附速率明显高于MO，而在慢速吸附阶段，活性炭对MO的吸附速率反而高于MB;随着水浴温度的升高，染料的去除率和吸附量变化不大;染料溶液pH值对两种染料的去除率和吸附量的影响存在较大差异，MB的去除率和吸附量随染料溶液pH值增加而增大，而MO的去除率和吸附量随之减小。

当MB溶液接近中性(pH=6)时，活性炭对MB的吸附效果最佳;当MO溶液为强酸(pH=2)时，活性炭对MO的吸附效果最好。

(2)受染料分子尺寸、染料分子与活性炭表面作用力等因素的影响，黄麻纤维活性炭对MB的吸附效果比对MO的吸附效果要好。

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