小麦秸秆生物质炭对水中罗丹明B的吸附研究

李飞跃，陶进国，张丽，王艳，邹海明，谢越，汪建飞

(安徽科技学院 城建与环境学院，安徽 凤阳 233100)

染料废水由于其色度高、COD 高、成分复杂、水质变化大及可生化性差等特点，被公认为最难处理的工业废水之一［1］。当前，处理染料废水的方法，主要可分为物理化学法、化学法及生物法三大类，这些方法各有缺点［2-3］。其中，吸附法被认为是一种处理染料废水的有效方法，为国内外研究者所青睐［4］。吸附法的核心是吸附材料的选择，在染料废水处理工艺中，活性炭是应用最广的吸附剂。然而，其价格成本较高，不适合大范围推广使用，同时，商业化的活性炭往往含有大量的重金属，存在二次污染的风险。

生物质炭是指生物质废弃物在缺氧及高温条件下，热解获得的一类高度芳香化富含碳的固态物质，是广义概念上黑炭的一种［5-6］。生物质炭像活性炭一样，孔隙结构发达，比表面积大，不同的是生物质炭在生产过程中通常不需要活化和处理，被认为是一种理想通用的吸附材料，近年来，被广泛的应用在水处理领域［7-8］。

罗丹明B 是一种有代表性的染料模型化合物［9-10］。本研究以小麦秸秆为原料制备生物质炭吸附材料，探讨其对罗丹明B 染料废水的吸附去除作用，以期为高效和廉价的染料废水处理新方法的建立提供理论依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

罗丹明B、盐酸、NaOH 均为分析纯。

PE2400-Ⅱ型元素分析仪;SA3100 型比表面积分析仪;EVO-18 型扫描电子显微镜;PHS-3E 型酸度计;UV-16/18 型紫外/可见分光光度计。

1.2 小麦秸秆生物质炭的制备

小麦秸秆用蒸馏水洗净、烘干、破碎。称取一定质量的小麦秸秆，放入自制的不锈钢热解装置内，通入高纯氮气，使装置内处于厌氧环境，以20 ℃/min升温速率加热，500 ℃热解2 h。关闭马弗炉，自然冷至室温。将生物质炭磨碎，过100 目筛。

1.3 生物质炭对罗丹明B 染料废水的吸附

称取0.1 g 生物质炭粉末置于100 mL 三角瓶中，分别加入25 mL 0.05 mmol/L 的罗丹明B 染料废水，放入恒温摇床，25 ℃下，150 r/min 振荡24 h，静置2 h，过0.45 μm 的滤膜，分光光度计测定滤液中罗丹明B 的含量。计算小麦秸秆生物质炭对罗丹明B 的吸附量(Q)和去除率(η)。

式中 Q——小麦秸秆生物质炭对罗丹明B 的吸附量，mmol/g;

C0——水样中罗丹明B 的起始浓度，mmol/L;

Ce——吸附后水样中罗丹明B 的平衡浓度，mmol/L;

V——水样体积，mL;

M——小麦秸秆生物质炭的用量，g;

η——生物质炭对罗丹明B 的去除效率，%。

2 结果与讨论

2.1 生物质炭的性质

小麦秸秆生物质炭的C 含量是62.9%，H 含量是4. 19%，pH 值为10. 2。小麦秸秆生物质炭的3 000 倍电子扫描电镜(SEM)照片见图1。

图1 小麦秸秆生物质炭的SEM 图Fig.1 The SEM images of wheat straw biochar

由图1 可知，生物质炭表面凹凸不平，疏松多孔，表面积(BET-N2)33.2 m2/g，说明其具有较大的比表面积，可用作吸附材料。

2.2 生物质炭对罗丹明B 的吸附等温线

称取0.1 g 生物质炭粉末置于100 mL 三角瓶中，分别加入25 mL 一系列不同浓度(0 ～1.5 mmol/L)的罗丹明B 染料废水，放入恒温摇床，25 ℃下，150 r/min 振荡24 h，静置2 h，过0.45 μm 的滤膜，收集滤液，其余操作步骤同1.3 节。小麦秸秆生物质炭对罗丹明B 染料等温吸附曲线见图2。

图2 生物质炭对罗丹明B 染料等温吸附曲线Fig.2 Adsorption isotherm curves of Rhodamine-B on biochar

由图2 可知，随罗丹明B 染料废水浓度的增加，生物质炭的吸附量增加迅速，随后增加趋缓。用Langmuir 模型描述生物质炭对染料废水的吸附等温线，得到最大吸附量为0.022 mmol/g，R2=0.998，表明吸附过程符合Langmuir 等温式，属于单分子层吸附。

2.3 pH 对生物质炭去除罗丹明B 染料废水效果的影响

称取0.1 g 生物质炭粉末置于100 mL 三角瓶中，加入25 mL 0.05 mmol/L 的罗丹明B 染料废水，用0.1 mol/L 的HCl 和NaOH 调节溶液的pH(3 ～11)，其余操作步骤同1.3 节，结果见图3。

图3 pH 对生物质炭去除罗丹明B 染料效果的影响Fig.3 Effect of pH on Rhodamine-B removal by biochar

由图3 可知，随着pH 的升高，生物质炭对罗丹明B 去除率增加，pH =9 时去除效果最好，去除率达到73.8%，这可能是因为生物质炭带负电荷，随着pH 的升高，生物质炭表面的负电荷数量增多［11］，罗丹明B 染料作为阳离子染料在生物炭表面发生静电吸附，导致其吸附量随pH 的升高而增加。pH 超过9 时，生物质炭对罗丹明B 去除率减少。

2.4 离子强度对生物质炭去除罗丹明B 染料废水效果的影响

分别以0，0. 01，0. 1 mol/L NaCl 为溶液基质(模拟不同离子强度的溶液)，配制0.05 mmol/L 的罗丹明B 染料废水，其余操作步骤同上，研究离子强度对生物质炭吸附罗丹明B 效果的影响，结果见表1。

表1 离子强度对生物质炭去除罗丹明B 染料效果的影响Table 1 Effect of ion strength on Rhodamine-B removal by biochar

由表1 可知，和对照相比，低浓度的离子强度降低了生物质炭对罗丹明B 的去除率，减少了26.4%;相反，高浓度的离子强度则提高了生物质炭对罗丹明B 的去除率，增加了49.9%。通常，根据静电吸附原理，离子强度增加，电解质溶液中离子与吸附离子竞争生物质炭表面孔道上的吸附位点，导致罗丹明B 去除率降低，然而，本实验中当离子浓度增加到0.1 mol/L NaCl 时，罗丹明B 的去除率反而增加了，可见，这时罗丹明B 不是以静电吸附机制被生物质炭吸附，主要发生了化学吸附或物理吸附。

2.5 生物质炭对罗丹明B 染料废水的淋滤实验

有机玻璃管柱(长20 cm，内径3.2 cm)的下层垫一层滤纸，加入22 g 小麦秸秆生物质炭，轻轻压实后，上面再垫一层滤纸。染料废水通过蠕动泵控制流速，使得出水速度和进水速度一致，罗丹明B染料废水进水起始浓度为0.05 mmol/L，淋滤18 个孔体积(每个孔体积100 mL)，而后改为0.4 mmol/L。定时取样，记录滤液体积，并测定滤液中罗丹明B的含量，结果见图4。

图4 淋滤液中罗丹明B 染料浓度的动态变化Fig.4 Variation in Rhodamine-B concentration in leaching experiment

由图4 可知，前21 个孔体积，出水罗丹明B 浓度接近0，表观感觉是红色罗丹明染料废水经生物质炭柱吸附淋滤后，溶液澄清透明无色，表明罗丹明B 染料几乎全被小麦秸秆生物质炭吸附;随着取样次数的增加，出水罗丹明B 浓度逐渐增高，最终淋出液罗丹明B 浓度接近进水罗丹明B 浓度(0.4 mmol/L)，此时淋出液累积体积为2.5 L，小麦秸秆生物质炭对罗丹明B 的累积平均吸附量为0.013 mmol/g，低于Langmuir 方程预测的最大吸附量，说明此时小麦秸秆生物质炭还没有达到饱和吸附状态。可见，小麦秸秆生物质炭是去除水中罗丹明B 等阳离子染料的良好吸附剂，而且生物质炭本身即为燃料，吸附染料的生物质炭可以通过焚烧进行处理，不会产生二次污染，是一种环境友好型的吸附材料，应用前景广阔。

3 结论

(1)Langmuir 方程可以描述小麦秸秆生物质炭对水中罗丹明B 的吸附行为，其最大吸附量为0.022 mmol/g。

(2)pH 和离子强度影响小麦秸秆生物质炭对水中罗丹明B 的去除效果，pH = 9，离子强度为0.1 mol/L NaCl 时，去除效果最佳。

(3)淋滤实验表明，小麦秸秆生物质炭对罗丹明B 染料废水的去除效果较好，其应用前景广泛。

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