甘蔗滤泥吸附碱性品红性能试验

董必淘，余积东，杨春鹤，姚顺香，尹海英，徐晓净

（芒市农产品质量安全监督检测站，云南芒市 678400）

随着染料工业的发展，染料产品数量增多，印染污水排放量增大。而印染污水中的染料能吸收光线，降低水体透明度，使有机物含量升高，不利于水体自净，导致水体生物不能生长，严重危害生物及人类的生存环境。因此去除印染污水中染料是一项很重要的工作。

在印染工业中品红是一种应用广泛的染料，虽然品红不是一种高毒性的化学物质，但是对人和动物造成很大威胁，如使人心率加快、恶心、呕吐等。目前有很多种方法去除品红染料，最普遍的方法是物理化学吸附、化学试剂氧化、膜处理、光催化氧化以及微生物降解处理等。在这些方法中，吸附法去除印染废水品红染料最有效，是一种可行、简便、高效的方法。

甘蔗滤泥是一种农业废弃物，是一种生物质材料，是甘蔗糖厂在生产中产生的三大副产物之一。在白糖的生产中，蔗汁中含有较多的非糖分有机物和无机质杂质，这些杂质对煮糖结晶不利，制糖工艺中将Ca（OH）2、SO2、CO2、H3PO4等物质加入蔗汁中，从中沉淀下来的物质即为滤泥。目前大部分甘蔗滤泥都是作回田处理，这一做法只是做无害化处置，没有将甘蔗滤泥综合利用。甘蔗滤泥作为吸附剂处理品红未见报道，本文选择甘蔗滤泥作为吸附剂，研究其吸附品红的可行性。通过试验探讨了甘蔗滤泥吸附品红的最佳条件，研究了甘蔗滤泥吸附品红的动力学、热力学行为和吸附方式，探讨其吸附机理，为去除废水中的品红寻找新材料，为甘蔗滤泥的综合利用提供一条新途径。

1 材料与方法

1.1 仪器

722N 型可见分光光度计、W L-200 高速中药粉碎机、酸度计、超声波、电子天平、电热真空干燥箱。

1.2 供试材料

甘蔗滤泥、品红、乙醇。

1.3 试验方法

1）甘蔗滤泥的前处理。甘蔗滤泥晾干，粉碎，过60 目筛，得到滤泥粉末。

2）标准曲线的制备。移取一定量的品红储备液（100 μg/mL）配制成浓度为0.5、1、2、3、4、5、6、7 μg/mL 的碱性品红系列标准溶液，在λ max=543 n m 波长下测定其吸光度，绘制标准曲线为Y=0.1175X+0.0048，R2=0.9993。

1.4 吸附实验

取一定量的甘蔗滤泥，加入100 mL 一定浓度的品红溶液，调节溶液pH 值于250 mL 锥形瓶中，在25 ℃左右空气浴恒温振荡器中振荡至吸附达到平衡后，用0.45 um 的滤膜过滤，以蒸馏水为参比，在λ max=543 nm 波长下，测定其吸光度。

1）甘蔗滤泥用量对吸附效果的影响。移取100 mL 浓度为100 mg/L 的品红溶液于250 mL 锥形瓶中，调节溶液pH 值为5～6，分别加入0.02 g、0.04 g、0.06 g、0.08 g、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g甘蔗滤泥，置于温度为30 ℃的振荡器中振荡，用一次性针头过滤器（0.45 μm）取样，测定其吸光度，按照式（1）计算其吸附率R（去除率），按照式（2）计算其吸附量qe（mg/L）。

其中C0为品红初始浓度（mg/L）；Ce 为吸附后品红溶液浓度（mg/L）；V 为溶液体积（mL），m 为吸附剂的用量（g）。

2）pH 值对吸附效果的影响。移取100 mL 浓度为100 mg/L 的品红溶液于250 mL 锥形瓶中，利用0.1 mol/L 的NaOH 和HCl 溶液分别调节品红溶液pH 值为3、4、5、6、7、8、9，加入0.04 g 甘蔗滤泥，置于温度为30 ℃的振荡器中振荡1 h，用一次性针头过滤器（0.45 μm）取样，测定其吸光度，按照式（1）计算其吸附率R（去除率），按照式（2）计算其吸附剂吸附量qe（mg/L）。

3）时间对吸附效果的影响。移取100 mL 浓度为100 mg/L 的品红溶液于250 mL 锥形瓶中，利用0.1 mol/L 的NaOH 和0.1 mol/L 的HCl 溶液调节品红溶液pH 值为6，加入0.04 g 甘蔗滤泥粉末，置于温度为30 ℃的振荡器中振荡2、5、10、15、20、30 min，用一次性针头过滤器（0.45 μm）取样，测定其吸光度，按照式（1）计算其吸附率R（去除率），按照式（2）计算其吸附剂吸附量qe（mg/L）。

4）温度对吸附效果的影响。移取100 mL 浓度为100 mg/L 的品红溶液于250 mL 锥形瓶中，利用0.1 mol/L 的NaOH 和HCl 溶液调节品红溶液pH值为6，加入0.04 g 甘蔗滤泥，分别置于温度为30℃、40 ℃、50 ℃的振荡器中振荡60 min，用一次性针头过滤器（0.45 μm）取样，测定其吸光度，按照式（1）计算其吸附率R（去除率），按照式（2）计算其吸附剂吸附量qe（mg/L）。

2 结果与讨论

2.1 甘蔗滤泥用量对吸附效果的影响

甘蔗滤泥用量是吸附品红溶液的重要因素，用量不足，吸附效果不明显，用量过多造成浪费，导致单位甘蔗滤泥去除品红的效率下降。所以选择合适的用量可以使吸附率达到最大。甘蔗滤泥的加入量对吸附效果的影响（图1）。

图1 甘蔗滤泥用量对吸附品红的影响

从图1 知，甘蔗滤泥加入量为0.02～0.04 g，甘蔗滤泥对碱性品红的吸附率从97%递增为99%，当滤泥投加量大于为0.4 g 时，对碱性品红的吸附率基本无变化。可以看出随着甘蔗滤泥的质量增加，甘蔗滤泥对碱性品红的吸附率增加，但是甘蔗滤泥对碱性品红的单位吸附量逐渐减小，这可能是因为，甘蔗滤泥的投入量增加，甘蔗滤泥会聚集在一起，导致了甘蔗滤泥与碱性品红接触的表面积变小，减少了甘蔗滤泥的不饱和吸附位点。

2.2 pH 值对吸附效果的影响

pH 值是吸附剂吸附品红溶液的重要因素。吸附剂能否较好地吸附品红，都与品红溶液中的pH值有着密切的关系，每种吸附剂都对应着合适的pH 值。为了找到甘蔗滤泥吸附碱性品红的最佳pH值，实验中选择了碱性品红溶液pH 值为3～9，实验结果（图2）。

从图2 知，当溶液pH 值从3～5，碱性品红吸附率逐渐增大，当溶液pH 值大于5 时，碱性品红的吸附率趋于平稳。本实验中选择吸附碱性品红溶液的最佳pH 值为6。

图2 pH 值对品红吸附率的影响

2.3 吸附时间对吸附效果的影响

吸附时间是决定去除碱性品红效果的重要因素，时间太长工作效率低，时间太短品红来不及与吸附剂充分接触，导致吸附率下降。不同初始浓度的碱性品红吸附的时间不同，本实验为找到合适的吸附时间进行实验，实验结果（图3），随着碱性品红与甘蔗滤泥粉接触时间增大，甘蔗滤泥粉对碱性品红的吸附率量迅速增大，直到吸附量变化缓慢，并趋于平稳。从图3 知，综合考虑实验中甘蔗滤泥与碱性品红接触时间为10 min。

图3 吸附时间对品红吸附量的影响

2.4 温度对吸附效果的影响

温度对碱性品红的吸附是一个关键因素，不同的吸附剂与碱性品红之间均有不同的吸附温度，若是吸热反应，则温度升高，有利于吸附，若是放热反应，则温度升高，阻碍吸附反应。本实验为找到合适的吸附温度进行实验，实验结果（图4）。

从图4 知，随着温度的升高，甘蔗滤泥粉对碱性品红的吸附率逐渐减小，所以本实验中选择甘蔗滤泥粉末吸附碱性品红的温度为30 ℃。

图4 吸附温度对品红吸附量的影响

2.5 吸附动力学分析

吸附动力学的研究在污水处理领域是非常重要的，因为通过动力学的研究可以提供吸附过程的反应机理。为了研究甘蔗滤泥对品红的动力学，采用准一级动力学方程式、准二级动力学反应方程这种动力学模型进行研究，准一级动力学方程式、准二级动力学反应方程和颗粒扩散方程分别为式（3）、式（4）：

式（3）、（4）中，qt为t 时刻甘蔗滤泥对品红的吸附量，qe为吸附反应达到平衡时甘蔗滤泥对品红的吸附量，k1、k2分别为准一级动力学速率常数、准二级动力学速率常数，t 为吸附时间常数。相关系数（R2），k1，k2，qe,exp、qe,cal分别列于表1。

由表1 知，准二级动力学方程R2值为1，而准一级动力学方程R2为0.7977，通过准一级动力学方程得到的qe,cal远远小于通过实验得到的qe,exp，而通过准二级动力学方程得到的qe,cal和实验值qe,exp非常接近，从方程的相关系数（R2）和qe,cal值可以得出，准二级动力学模型更能准确的描述甘蔗滤泥吸附碱性品红的整个过程。

2.6 吸附热力学

吸附热力学参数能够反应吸附过程中本质能级的改变，吸附热力学参数主要包括：吉布斯自由能（ΔG0，KJ/mol）、熵变（ΔS0，KJ/mol）、焓变（ΔH0，KJ/mol），ΔG0、ΔS0、ΔH0可以通过式（5）、式（6）算出：

式中：kd—吸附分配系数，Kd=qe/Ce，L·mg-1；R—气体摩尔常数8.314J·mol-1·K-1；T—绝对温度；以lnKd对1/T 作图，根据其拟合曲线的斜率和截距求出ΔH0和ΔS0。计算出来的ΔG0、ΔH0和ΔS0列于表2。

由表2 知，ΔH0、ΔG0小于0，ΔS0大于0，说明该吸附过程是一个自发的无序的放热过程。一般而言，ΔG0在-80～-400 KJ/mol 为化学吸附，甘蔗滤泥吸附碱性品红过程的ΔG0在-13.89～-14.44KJ/mol，所以甘蔗滤泥吸附染料的行为属于物理吸附过程。甘蔗滤泥在吸附染料的过程中的ΔS0＞0，说明碱性品红吸附到甘蔗滤泥上，使得吸附质分子获得一些自由度，从而引发熵增加，表明碱性品红吸附到甘蔗滤泥上是一个趋于无序的过程。

表1 准一级、准二级动力学模型参数

表2 热力学参数

3 结论

甘蔗滤泥吸附碱性品红染料效果良好，吸附碱性品红最佳投入量为0.4 g/L，最佳时间为10 min，最佳pH 值为6，温度为30 ℃。应用准一级动力学方程、准二级动力学方程、颗粒扩散方程模拟了甘蔗滤泥吸附品红的动力学过程，再用准二级动力学方程和Freun dlich 模型描述甘蔗滤泥吸附碱性品红的过程，吸附碱性品红染料的过程中ΔH0、ΔG0均小于0，ΔS0大于0，说明甘蔗滤泥吸附碱性品红的过程是一个自发的无序的放热过程。