改性活性炭对染料甲基橙的吸附性能研究

林迪， 郭宇， 贾世宇， 李海波， 赵若含， 杨回归

（辽宁工业大学化学与环境工程学院，辽宁锦州 121001）

随着工业的快速发展，大量的重金属离子和有机染料分子等污染物被排放到环境中，导致了环境的严重污染。 吸附法因其操作简单、去除效率高等特点，已被广泛应用于水体污染物的处理领域[1,2]。

以前所使用的吸附剂材料主要有沸石分子筛、活性炭、氧化石墨烯、壳聚糖等[3～5]。 其中，活性炭是一种具有比表面积大、堆积密度低和孔隙结构发达等特点的多孔碳材料，其成本低廉、原料易获取，被广泛应用在水体净化、脱色、除味和降低COD 等方面[6，7]。 然而，单纯活性炭的吸附能力和吸附容量有限。 因此，研究者通过对活性炭进行改性，调整其孔道结构和表面的酸碱性，显著提高了其吸附性能[8,9]。本文主要利用盐酸对活性炭进行改性制备改性活性炭， 并以甲基橙为模拟污染物，研究了改性活性炭对甲基橙的吸附性能。

1 实验

1.1 原料和仪器

活性炭（纯度>96%，巩义市天泽水处理材料有限公司）；甲基橙（分析纯，天津市天力化学试剂有限公司）；盐酸（分析纯，天津市光复科技发展有限公司）；去离子水（自制）。

水浴振荡器（HZS-HA，哈尔滨东联电子技术开发有限公司）；可见分光光度计（721G，上海仪电分析仪器制造有限公司）；数显pH 计（PHS-25，上海仪电科学仪器股份有限公司）； 电热鼓风干燥箱（101， 北京市永光明医疗仪器有限公司）。

1.2 改性活性炭的制备

本实验采用盐酸对活性炭进行改性。 首先在锥形瓶加入10 g 活性炭，然后再加入100 mL 盐酸（1 mol/L），于20℃水浴下搅拌6 h 后，用去离子水洗涤至中性、抽滤，在110 ℃干燥箱内干燥过夜，得到改性活性炭。

1.3 吸附实验

称取若干份一定量的改性活性炭（10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg）， 分别在甲基橙初始质量分数为20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70mg/L，吸附温度为20℃、30℃、40℃，吸附时间为1h、2 h、4 h、6 h、8 h、10h、12h，振荡速度为150 r/min 的情况下进行吸附实验。 吸附实验完成后，进行离心分离，然后取上清液进行分析。 利用分光光度计测定其在特征波长（465 nm）下的吸光度，通过标准曲线计算溶液中的甲基橙浓度，进而分析出甲基橙的去除率E（%）和吸附容量Q(mg/g)。

式中，C0为吸附前甲基橙的质量分数（mg/L），Ce为吸附后甲基橙的质量分数（mg/L），m 为吸附剂用量（g），V 为甲基橙溶液体积（L）。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线的绘制

分 别 配 制2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L 的甲基橙溶液，以465 nm 为测定波长，用可见光分光光度计测出各质量分数下的吸光度，以甲基橙的质量分数为横坐标，各质量分数下所测出的吸光度为纵坐标绘制出甲基橙溶液的吸光度标准曲线，如图1 所示。 从图1 中可以看出：甲基橙的标准曲线方程为y=0.12299 x - 0.00543，其相关系数为R2=0.99933。 由甲基橙的标准曲线方程和相关系数可以看出，在所测定的浓度范围内，线性关系良好。

图1 甲基橙溶液的吸光度标准曲线

2.2 改性活性炭的用量对吸附甲基橙性能的影响

在10 个锥形瓶中分别加入50 mL 质量分数为60 mg/L 的甲基橙溶液， 再分别向其中加入不同质量（10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg）的未改性的活性炭和盐酸改性后的活性炭， 在20 ℃及150 r/min 振荡速度下进行吸附试验，12 h 之后取样， 用分光光度计测定吸光度并计算去除率，结果如图2 所示。 由图2 可知： 当吸附剂用量小于30 mg 时，随着改性活性炭用量的增加，甲基橙的去除率不断提高；当吸附剂用量大于30 mg 时，甲基橙去除率增幅很小，趋于平衡。 这可能是因为随着吸附剂用量的增加，活性炭提供吸附的活性位点增多，吸附传质动力较大，导致甲基橙分子较容易与活性炭表面的活性位点结合。 然而，由于甲基橙溶液质量分数和体积一定，当继续增加吸附剂用量时，甲基橙分子已经被吸附到活性炭的活性位点上，达到吸附平衡。 而且，改性活性炭对于甲基橙的去除效果明显高于未改性的活性炭。 在吸附剂用量为30 mg 时，改性活性炭和未改性活性炭对甲基橙去除率分别为93.5% 和72.1%，吸附容量分别为93.5 mg/g 和72.1 mg/g。 这可能是因为盐酸对于活性炭改性过程中起到一定的化学刻蚀作用，能够有效去除活性炭中的酸溶性物质，降低活性炭中灰分，提高活性炭的比表面积，从而能够显著提高活性炭的吸附性能[6]。因此，吸附剂用量应控制在30 mg 为宜。

图2 吸附剂用量对盐酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影响

2.3 甲基橙初始浓度对盐酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影响

配制不同质量分数（20 mg/L、30mg/L、40mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70 mg/L）的甲基橙溶液置于锥形瓶中， 分别向其中加入30 mg 未改性活性炭和盐酸改性活性炭， 放入水浴恒温振荡器中振荡，设置转速为150 r/min，温度为20℃，12 h 之后取样、过滤， 用分光光度计测定其吸光度并计算去除率，结果如图3 所示。 从图3 中可以看出：当甲基橙初始质量分数由20 mg/L 增加到60 mg/L 时，盐酸改性活性炭对甲基橙的吸附容量， 由32.8 mg/g提高至93.5 mg/g。 这是因为当溶液中甲基橙的浓度提高时，改性活性炭表面的吸附点位相对甲基橙分子是过量的，可迅速与甲基橙分子发生吸附作用，吸附容量逐渐提高。 但当甲基橙初始质量分数继续提高至70 mg/L 时，其改性活性炭的吸附容量提高程度较小， 说明此时活性炭上的吸附位点逐渐达到吸附饱和状态， 过量的甲基橙分子只能在溶液中处于游离状态， 不能被活性炭吸附。 因此，甲基橙的初始质量分数应控制为60 mg/L。

图3 甲基橙的初始质量分数对盐酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影响

2.4 吸附温度对盐酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影响

分别称取30 mg 未改性活性炭和盐酸改性活性炭加入到50 mL 质量分数为60 mg/L 的甲基橙溶液中，将其置于水浴恒温振荡器中，在150 r/min振荡速度下分别在20℃、30℃、40℃时进行吸附实验，结果如图4 所示。 从图4 中可以看出：随着吸附温度增加， 盐酸改性活性炭和未改性活性炭对甲基橙的吸附容量不断提高， 分别达到96.1 mg/g和73.7 mg/g。 这是由于随着温度升高， 甲基橙分子的迁移速度加快， 染料废水溶液的黏度下降，有利于活性炭对甲基橙的吸附。 然而，温度过高，在实际应用中会增加能耗和操作成本。 因此，吸附温度应控制在40℃为宜。

图4 吸附温度对盐酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影响

2.5 吸附时间对盐酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影响

分别称取30 mg 未改性活性炭和盐酸改性活性炭加入到50 mL 质量分数为60 mg/L 的甲基橙溶液中，将其置于水浴恒温振荡器中，在40 ℃及150 r/min 振荡速度下进行吸附实验，分别在1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10h、12h 取样、过滤，测定其吸光度并计算甲基橙的去除率， 结果如图5 所示。 从图5 中可以看出：当吸附时间小于8 h 时，随着吸附时间增加，盐酸改性活性炭对甲基橙的去除率和吸附容量不断提高。 这是由于活性炭表面的活性点位相对较多，水溶液中的甲基橙质量分数也相对较高，吸附的传质动力较大，甲基橙分子可迅速与活性点位作用， 吸附在96.1 活性炭表面；随着吸附反应过程的进行，甲基橙和活性炭吸附剂之间的质量分数差渐渐降低，而在之前吸附在活性炭表面的甲基橙分子逐渐通过活性炭中、大孔扩散进入到微孔结构中，扩散速率逐渐变得缓慢[6]。 当吸附时间继续提高时，活性炭对于甲基橙的吸附趋于饱和状态， 吸附容量和甲基橙去除率增长缓慢。 当吸附时间为8h 时，盐酸改性活性炭和未改性活性炭对甲基橙去除率分别达到96.1%和79.2%，吸附容量分别达到96.1mg/g 和79.2mg/g。因此，吸附时间应控制在8h 为宜。

图5 吸附时间对盐酸改性活性炭吸附甲基橙性能的影响

3 结论

本文制备的盐酸改性活性炭甲基橙的吸附能力明显高于未改性的活性炭。 通过单因素实验确定了改性活性炭吸附甲基橙的最佳条件为：改性活性炭用量30mg，甲基橙初始质量分数60mg/L，吸附温度40℃，吸附时间8 h，盐酸改性活性炭对甲基橙的去除率可达到96.1%。