栀子花叶对水体中刚果红染料的吸附及其动力学研究

程艳燕，李辉容

（绵阳师范学院化学与化学工程学院，四川绵阳 621000）

刚果红属于典型的联苯胺类偶氮染料，是印染废水中代表性较强的污染物之一[1]。常用的染料废水处理方法包括化学混凝、吸附、氧化、离子交换等，其中吸附法应用较广。而活性炭的发达多孔结构和比表面积大被认为是一个通用的吸收剂，常用于去除水中各种污染物，但由于其生产成本高且再生困难，从而使用受到了限制。研究表明，生物材料的吸附由于其成本低廉，近年来已成为一个重要的研究课题。如Bhattacharyya等[2]以天然楝树成熟叶片为原料，研制了一种新型吸附剂。张敬华等[3]以花生壳为生物吸附剂，结果发现花生壳对罗丹明B有良好的吸附作用。Namasivayam等[4]将香蕉皮处理后用于吸附酸性艳蓝染料，探究不同变量对染料的吸附规律。党艳等[5]研究了荞麦皮生物吸附去除罗丹明B染料的影响因素。本论文以栀子花叶为吸附剂，经甲醛去掉色素，探究其对水溶液中刚果红阴离子染料的吸附性能，不仅为水溶液中刚果红染料的处理提供了一种方法，还实现了林业废弃物的资源化使用。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与试剂

试剂：刚果红为分析纯，购于天津市福晨化学试剂厂；甲醛溶液为分析纯，购于成都科龙化工试剂厂。

仪器设备：EVO-18扫描电镜（SEM），上海欧波同仪器有限公司；FTIR-8400红外光谱仪（FT-IR），日本岛津公司；T6紫外可见分光光度计（UV-Vis），北京普析通用仪器有限责任公司。PS-20AL超声波清洗机，深圳市洁康洗净电器有限公司。DXF-04C密封型手提式粉碎机，广州市大祥电子机械设备有限公司。

1.2 复合材料的制备

于绵阳师范学院北校区采集栀子花叶，洗涤后自然风干，放在75 ℃烘箱中烘干，粉碎后过40目筛，储存在干燥的试剂瓶中备用。称取15 g栀子花叶粉末加入 150 mL 0.1 mol/L 的 H2SO4，并加入 7.5 mL甲醛除掉色素，最后的混合物在50 ℃下搅拌加热24～48 h，直到混合物变成浓浆。用去离子蒸馏水洗涤至中性为止，高速离心机离心，放在恒温60 ℃烘箱里烘干，粉碎成粉末状，过200目筛，置于干燥的试剂瓶中，备用。

1.3 吸附实验

取一定量的吸附剂（0.02 g、0.04 g、0.06 g、0.08 g、0.10 g、0.12 g和 0.14 g），加入 25.00 mL 浓度为 50 mg/L的刚果红溶液，常温振荡2 h后，采用紫外-可见分光光度计测定吸附后溶液中刚果红浓度，根据公式1计算出吸附剂的吸附率R。

式中，R为吸附率；C0为染料初始浓度，mg/L；C0和Ce为刚果红溶液初始浓度和吸附后的浓度，mol/L；V是溶液的体积，L；m是吸附剂的质量，g。

2 结果与分析

2.1 扫描电镜分析

栀子花叶吸附剂的扫描电镜如图1所示，可以看出吸附剂表面呈现不规则的条状结构，长约100～400 μm，宽约40 μm，表面上纵横分布着许多凹槽和微小细孔，说明该物质具有一定的吸附性能。

2.2 栀子花叶吸附刚果红染料的性能分析

2.2.1 吸附剂投加量的影响

从图2中可以看出，吸附率随吸附剂投加量的增加而不断增大，当吸附剂的投加量大于4.0 g/L时，吸附率开始下降，这可能是由于吸附剂投加量增加，栀子花叶吸附剂在刚果红染料中的浓度过大，导致吸附剂粒子团聚，在一定程度上减小了吸附剂的比表面积，从而使吸附率降低[6]。综合考虑，实验中确定最佳的吸附剂用量为3.2 g/L。

图1 栀子花叶的扫描电镜图

图2 吸附剂投加量对吸附率的影响

2.2.2 吸附时间的影响

从图3可以看出，栀子花叶吸附剂在前80 min对刚果红的吸附较快，吸附率为88.06%，这可能是刚果红染料受吸附剂静电引力作用，经溶液主体扩散到吸附剂表面，染料浓度为主要的速率控制要素，随着颗粒表面的吸附容量趋于饱和，速率控制因素转变为孔道扩散，交换的动力变弱，基本达到了饱和吸附容量，吸附处于动态平衡状态，吸附率基本保持不变[7]。因此，吸附时间取80 min为宜。

图3 吸附时间对吸附率的影响

2.2.3 pH的影响

从图4可以看出，随着溶液pH值的增大，栀子花叶吸附剂对刚果红的吸附率是先增加后降低，当pH为7～9时，吸附率变化很小。因此，后续的试验直接将刚果红溶于去离子水中。

图4 溶液pH的影响

2.2.4 吸附动力学分析

为探讨复合吸附剂对刚果红染料吸附的动力学特征，在温度为35 ℃，刚果红溶液的初始浓度为100 mg/L，栀子花吸附剂量为2.4 g/L的条件下，测定吸附量qt随时间t的变化情况。利用准一级动力学与准二级动力学模型[8]对实验数据进行分析，模型方程如式2、式3所示。

式中，qe为吸附平衡时单位质量吸附剂吸附染料溶液的吸附量，mg/g；qt为t时刻单位质量吸附剂吸附染料溶液的吸附量，mg/g；k1为准一级动力学模型吸附反应速率常数，min-1；k2为准二级动力学模型吸附反应速率常数，g/（mg·min）。

利用上述两种模型对实验数据拟合，得动力学方程的参数如表1所示。从表中可以看出，栀子花吸附剂对刚果红染料的吸附动力学模型更符合拟二级动力学方程。

表1 栀子花吸附剂动力学方程参数

2.2.5 吸附等温模型分析

栀子花吸附剂对刚果红染料吸附等温线数据分别采用Freundich和Langmuir方程对吸附等温模型进行拟合[9]，模型方程分别如式4、式5所示。

（式中，kF为Freundlich常数，g/mg；N为与温度有关的常数，n＞1时为优惠吸附；qe为平衡吸附量，mg/g；Ce为相应平衡浓度，mg/L；qm为单分子层饱和吸附量，mg/g；KL为Langmuir常数，L/mg。

分别通过上述两种模型拟合栀子花吸附剂刚果红染料对刚果红的吸附等温方程参数如表2所示。从中可以看出，Freundich方程拟合得到的R2为0.990 7，大于Langmuir方程拟合结果，说明栀子花叶吸附剂对刚果红的吸附更加符合Freundich模型，这种吸附并不是单层吸附，而是物理吸附和化学吸附同时存在。

表2 栀子花吸附剂的吸附等温方程参数

3 结论

栀子花叶采用硫酸预处理和甲醛除掉色素后，处理一定浓度的刚果红染料模拟废水。结果表明，栀子花叶最佳吸附pH为7，吸附时间为80 min，栀子花叶投加量为3.2 g/L，吸附率达85.93%。吸附动力学研究表明，栀子花叶对刚果红的吸附过程更符合准二级动力学模型，属于化学吸附。栀子花叶吸附剂对刚果红染料吸附遵循Freundlich等温方程，表明这种吸附不是单层吸附。