氧化铁改性木质素基活性炭的吸附性能

田 龙

氧化铁改性木质素基活性炭的吸附性能

田 龙

（南阳师范学院，河南 南阳 473061）

为了开发利用木质素资源，利用木质素制备活性炭，并通过氧化铁改性该木质素基活性炭，考察改性前后活性炭的吸附性能的变化，分析了两种活性炭对亚甲基蓝的吸附动力学性质，利用Langmuir吸附等温线模型来表述活性炭对亚甲基蓝的吸附行为。结果表明：Langmuir等温模型拟合结果较好。准二级动力学模型符合改性木质素基活性炭吸附亚甲基蓝的动力学行为。氧化铁改性后的木质素基活性炭对亚甲基蓝具备较好的吸附性。

木质素；活性炭；氧化铁；改性；吸附

近年来，染料的用途越来越广泛，2021年全球使用的染料大于8×105t，这些染料的10%～25%作为废物排放到水体中，由于它们难以降解，且存在致癌和致突变性，因而在造成环境污染的同时，也严重威胁人类自身的健康[1-3]。

活性炭空隙结构丰富且比表面积巨大，是极具前景的吸附材料，加之价格低廉，被广泛应用于污染物的去除[4]。常规活性炭往往难以达到理想的处理效果，在实际应用中需对活性炭进行改性以提高其性能。

水合氧化铁作为可再生吸附剂，具有原料来源广、成本低的优势，可以预见，以活性炭为载体负载氧化铁，能够显著提高活性炭的吸附量，更好地脱除污染物。本文对氧化铁改性过后的木质素基活性炭吸附亚甲基蓝的性能进行研究，从动力学模型角度来分析活性炭吸附法的动力学特性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

JA2003电子天平，上海舜宇恒平仪器有限公司；UV-2000紫外可见分光光度计，龙尼柯仪器有限公司；CJJ78-1磁力加热搅拌器，金坛市城东新瑞仪器厂；DHG-9240A电热鼓风烘箱，上海一恒科技有限公司；数显恒温水浴锅，上海博讯实业有限公司医疗设备厂。

木质素，南阳市东方纸业有限公司；磷酸等化学试剂，分析纯，天津致远化学试剂有限公司；实验用水为自制去离子水。

1.2 木质素基活性炭的制备

取5.000 g的木质素，添加55%质量分数的磷酸，充分搅拌后，静置30 min，低温干燥后，将木质素置于马弗炉中，在600 ℃下活化2 h，取出后用热水洗至中性，烘干，粉碎，过40目（0.63 mm）筛，备用。

1.3 木质素基活性炭的改性

用去离子水冲洗上述木质素基活性炭后，浸泡 4 h，过滤，干燥至恒重。称量2 g活性炭放入 30 mL（过量）氨水里，30 ℃水浴搅拌 30 min。称量负载比例 1∶1（质量比）所需的Fe(NO3)3固体 8.08 g，将其溶解于 50 mL水中，形成Fe(NO3)3溶液。将溶解好的Fe(NO3)3溶液滴入装有活性炭的氨水里，滴定速度控制在每秒0.5～1 滴，将Fe(NO3)3溶液全部滴定完，停止搅拌，得浑浊液。将浑浊液阴干熟化12 h，沉淀经水洗、蒸氨，70 ℃真空干燥12 h，得氧化铁与活性炭质量比为 1∶1 的改性活性炭。

1.4 亚甲基蓝标准曲线的绘制

取2、4、6、8、10、12 mg·L-1的亚甲基蓝溶液各200 mL，置于烧杯中，分别取10 mL过滤，滤液以去离子水为对照，在660 nm处测定亚甲基蓝溶液的吸光值。

1.5 吸附性测试方法

取100 mL亚甲基蓝溶，置于锥形瓶中，分别改变改性活性炭用量、反应温度、亚甲基蓝初始浓度等因素，在磁力加热搅拌器上加热并搅拌一定时间，移液管取溶液中的上清液少许，过滤后取适量滤液于比色皿中，测定吸光度，计算其质量浓度，再依据式（1）、式（2）得到活性炭的吸附量和去除率[5]。

=(0-e)/0×100%。 （1）

=× (0-e)/。 （2）

其中：—去除率，%；

—吸附量，mg·g-1；

—溶液体积，L；

—改性活性炭的投放量，g；

0—亚甲基蓝的初始质量浓度，mg·L-1；

e—吸附完之后亚甲基蓝的质量浓度，mg·L-1。

1.6 改性活性炭对亚甲基蓝的吸附

1.6.1 吸附时间对吸附效率的影响

在25 ℃环境中，准确称取未改性活性炭和改性活性炭各30 mg，分别投入到100 mL20 mg·L-1亚甲基蓝溶液内，置于磁力加热搅拌器上搅拌，分别在确定好的时间点取出来，过滤，检测吸光度。

1.6.2 吸附剂用量对吸附效率的影响

25 ℃条件下，分别将10、20、30、40、50、 60 mg未改性活性炭加到20mg·L-1的100 mL亚甲基蓝溶液中，置于磁力加热搅拌器上，吸附时长为 120 min，反应结束静置30 min后取10 mL溶液过滤，在660 nm的波长下检测其吸光度，得出结果后根据公式计算清除率，同样步骤测定改性活性炭的投放量与吸附性能的关系。试验结果显示，随着吸附剂活性炭添加量的增大，去除率逐步增大，当活性炭的量达到40 mg时，去除率趋于平稳，由此得出当活性炭的投放量达到一定数值的时候，溶液里的亚甲基蓝已完全去除，可确定活性炭的适宜用量为 40 mg。

1.6.3 温度对吸附效率的影响

精确配制5份20 mg·L-1亚甲基蓝溶液各100 mL，然后称取0.04 g未改性的活性炭分别投入上述亚甲基蓝溶液中，在20、40、60、80、100 ℃的条件下在磁力搅拌器上搅拌120 min，反应结束后静置 30 min后过滤，测定吸光度值，根据已知公式计算其清除率，同样的步骤，重新实验测定改性活性炭在不同温度下的吸附表现。

1.6.4 吸附等温线试验

先确定活性炭的投放量为40 mg，在25 ℃条件下，将称量好的活性炭投入到100 mL亚甲基蓝初始质量浓度为5、10、15、20、25、30 mg·L-1的溶液中，反应120 min后，取出适量溶液过滤，检测溶液吸光度，计算清除率，同样步骤测定改性活性炭投放到不同质量浓度亚甲基蓝溶液中的吸光度[6]。Langmuir 吸附等温线模型[7]方程见式（3），Freundlich 吸附等温线模型[8]方程见式（4）。

e/e= 1/1m+e/m。 （3）

=F1/。 （4）

式中：m—活性炭的平衡吸附量，mg·g-1；

1—Langmuir 常数，L·mg-1；

F—Freundlich 经验常数，L·mg-1；

— Freundlich 经验常数。

1.7 吸附动力学

对活性炭吸附进程进行详细的动力学研究，其目的是用来表述吸附剂吸附亚甲基蓝的速率快慢。首先准备100 mL的 20 mg·L-1的亚甲基蓝溶液，精确称取未改性的活性炭0.04 g置于其中，在25 ℃条件下用磁力加热搅拌器分别振荡，不同时间内开始吸附试验，直到吸附达到平衡。再将吸附过后的亚甲基蓝溶液静置30 min，取溶液的上层清液部分过滤，在660 nm下测定溶液吸光度，并计算吸附量，做出吸附动力学曲线。

2 结果与分析

2.1 亚甲基蓝标准曲线

以吸光度为纵坐标、亚甲基蓝质量浓度为横坐标，得出亚甲基蓝溶液的标准曲线见图1。由图1可以看出，亚甲基蓝质量浓度与其吸光度成正比关系，回归方程为=0.075 8+0.263 5，2=0.999 5，拟合度较高。

图1 亚甲基蓝溶液标准曲线

2.2 吸附时间对吸附效率的影响

时间对活性炭吸附亚甲基蓝的影响见图2。由图2可以看出，两种活性炭的去除率和吸附量都会随着吸附时长的增加而逐步上升。在0～35 min内，吸附速率变化很大，当时间达到40 min后吸附趋于稳定，120 min后整个吸附体系基本达到平衡。

图2 吸附时间对亚甲基蓝清除率的影响

2.3 吸附剂用量对吸附效率的影响

投加量对亚甲基蓝清除率的影响见图3。由图3可以看出，当活性炭投加量逐步增加时，亚甲基蓝清除率也会变得增加，特别是在10～30 mg之间，清除率增大尤为显著。当活性炭的投放量为 40 mg时，亚甲基蓝清除率达到最大，此时吸附接近平衡，因此活性炭的最佳投放量可确定为40 mg。

图3 投加量对亚甲基蓝清除率的影响

2.4 温度对吸附效率的影响

温度对亚甲基蓝清除率的影响如图4所示。

由图4可以看出，升高温度可以加快亚甲基蓝分子的移动速度[8]，但总体来看，温度对木质素基活性炭的吸附性能的影响不大，当温度达到40 ℃时，清除率基本不再发生变化。此外，图4表明经过改性处理的活性炭吸附性能显著增强。

图4 温度对亚甲基蓝清除率的影响

2.5 吸附等温线试验

将本试验所得数据与等温吸附模型的线性方程拟合，结果如表1所示。由表1可以看出，活性炭的吸附与Langmuir模型拟合出的线性关系较好，所以用Langmuir模型来描述亚甲基蓝活性炭表面等温吸附行为较为合适[9]。

表1 等温方程拟合情况

2.6 吸附动力学

表2是准二级动力学模型拟合参数，可以看出，由准二级动力学方程拟合的线性关系较好，未改性活性炭及经过改性的活性炭对亚甲基蓝的吸附过程更接近二级反应过程，线性决定系数接近1。

表2 准二级动力学模型拟合参数

3 结论

用氧化铁对木质素基活性炭进行改性，考察了改性前后的活性炭对亚甲基蓝的吸附特性，发现该吸附过程契合Langmuir等温式和Lagergren准二级动力学方程。

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Adsorption Properties of Lignin Based Activated Carbon Modified by Ferric Oxide

（Nanyang Normal University, Nanyang Henan 473061, China）

In order to develop and utilize lignin resources, lignin was used to prepare activated carbon, and the lignin based activated carbon was modified by iron oxide. The change of adsorption performance of the activated carbon before and after modification was investigated, the adsorption kinetics of methylene blue on the two kinds of activated carbon was analyzed, and the adsorption behavior of methylene blue on the activated carbon was described by Langmuir adsorption isotherm model. The results showed that Langmuir isotherm model fitted well. The quasi second order kinetic model was consistent with the kinetic behavior of methylene blue adsorption on modified lignin based activated carbon. The results showed that the lignin based activated carbon modified by ferric oxide had better adsorption capacity for methylene blue.

Lignin; Activated carbon; Ferric oxide; Modification; Adsorbent

TQ424.1

A

1004-0935（2023）09-1283-04

南阳师范学院校级科研项目（项目编号：2020STP010）。

2022-09-28

田龙（1977-），男，河南省南阳市人，副教授，博士，2013年毕业于郑州大学，研究方向：生物质资源开发利用。