發(fā)布時間：2021-08-28所屬分類：免費文獻瀏覽：1次
摘 要： 北華大學學報(自然科學版)
《玉米秸稈生物質炭對廢水中苯酚的吸附性能》論文發(fā)表期刊：《北華大學學報(自然科學版)》；發(fā)表周期：2021年01期
《玉米秸稈生物質炭對廢水中苯酚的吸附性能》論文作者信息：劉輝( 1978—) ，男，碩士，副教授，主要從事環(huán)境安全研究．
摘要: 以農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈為原料制備生物質炭，研究其對廢水中苯酚的吸附性能. 結果表明: 玉米秸稈生物質炭吸附苯酚的平衡時間為 180 min，隨著溶液 pH 的升高吸附量降低，吸附劑最佳投加量為 10 g /L; 在最佳吸附條件下，苯酚的吸附去除率達到 98. 85% ，吸附量高達 44. 25 mg /g; 溫度對苯酚吸附的影響不明顯; 玉米秸稈生物質炭對苯酚的吸附可以用準二級動力學方程擬合，吸附平衡符合 Langmuir 等溫方程; 玉米秸稈生物質炭吸附苯酚的過程是吸熱、自發(fā)過程，溫度升高有利于吸附.
關鍵詞: 玉米秸稈; 生物質炭; 苯酚; 吸附動力學; 吸附熱力學
Abstract: The adsorption of phenol in waste water by biomass carbon made from agricultural waste corn stalk was studied. The results showed that the adsorption equilibrium time was 180 min，and the adsorption amount decreased with the increase of pH，the optimum dosage of adsorbent was 10 g /L. Under the optimum adsorption conditions，the removal rate of phenol is 98. 85% ，and the adsorption capacity of phenol is 44. 25 mg /g. The effect of temperature on the adsorption of phenol is not obvious. The adsorption equilibrium of phenol on biomass carbon of corn stalk can be fitted by quasi-second-order kinetic equation，and the adsorption equilibrium accords with Langmuir isotherm equation. The adsorption process of phenol by corn straw biomass carbon was endothermic and spontaneous，and higher temperature was favorable for adsorption.
Key words: corn straw; biomass carbon; phenol; adsorption kinetics; adsorption thermodynamics
含酚廢水主要來自焦化廠( 尤其是低溫土法煉焦) 、煤氣廠、石油化工廠、絕緣材料廠等[1-2]. 由于苯酚有毒性、腐蝕性[3]，給人體健康造成嚴重威脅[4]，因此，對含酚廢水加以處理尤為重要. 利用吸附法處理含酚廢水是應用較為廣泛的方法[5]，其中，生物質炭處理含酚廢水效果較好[6]. 農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量的纖維類物質，可為制備生物質炭提供原料[7-8]. 大量研究表明，生物質炭對苯酚、多環(huán)芳烴、除草劑等有機物有很好的去除效果. 因此，本次研究以成本低廉的農(nóng)業(yè)廢棄物———玉米秸稈制備的生物質炭作為吸附劑處理含酚廢水，研究不同條件下玉米秸稈生物質炭對苯酚的吸附性能以及吸附動力學和熱力學特性，以期開發(fā)出一種有效且廉價的廢水凈化吸附劑，緩解資源不足，減少環(huán)境污染，提高農(nóng)業(yè)綜合效益.
1材料儀器與方法1.1材料與試劑
試驗用試劑為苯酚、磷酸、鹽酸、氫氧化鈉，均為分析純：水為去離子水：玉米秸稈取自黑龍江省慶安縣富強村玉米種植區(qū).
1.2 器
儀器有19系列紫外分光光度計、GWA-JN4+20型超純水器、J2組織搗碎機、CS101AB型電熱鼓風干燥箱、SX-A-01馬弗爐、FA2004N型電子天平、PHS-3C酸度計、HZQ-C空氣浴振蕩器、wQs-S數(shù)顯振動篩、HS-50恒溫恒濕箱.
1.3 玉米秸稈生物質炭制備
將收集的農(nóng)業(yè)廢棄物-玉米秸稈剔除殘留的玉米葉后，清洗，晾干，切成10cm左右的小段.在105 ℃
烘干、粉碎后過20目篩，將粉碎后的玉米秸稈用50%磷酸活化劑溶液按固液比1：2均勻混合，于25 ℃
150r/min下振蕩30 min，反復振蕩2-3次，使之充分混勻，放置24 h后移至帶蓋坩堝，置于馬弗爐中，400
℃活化4 h0.取出冷卻，以1%稀鹽酸洗滌，去離子水清洗數(shù)次，直至pH為5-7，將洗過的樣品置于恒溫干燥箱中，105 ℃下烘干至恒重，冷卻后過40.80、120，160、200目篩，即可得到玉米秸桿生物質炭.
1.4 苯酚吸附試驗
取50 mlL一定質量濃度的苯酚溶液置于250 mlL.錐形瓶中，加入一定量的玉米秸稈生物質炭，以175 r/min在恒溫振蕩器中振蕩吸附180 min，冷卻后過濾，在270mm吸收波長下測定濾液的吸光度，計算玉米秸稈生物質炭對廢水中苯酚的平衡吸附量Q，t
式中：C，、C，分別為溶液中吸附質的初始質量濃度和平衡濃度，mg/L;V為吸附質溶液體積，L:m為生物質炭質量，g.2結果與分析
2.1 吸附參數(shù)對吸附性能的影響
2.1.1 吸附劑粒徑
向質量濃度為50mg/L的苯酚溶液中加入2g/L吸附劑，調pH至2，25 ℃下振蕩180 min，得到苯酚吸附量隨玉米秸稈生物質炭粒徑變化的曲線，見圖1，由圖1可見：吸附量隨玉米秸稈生物質炭粒徑的減小而增加，表明玉米秸稈生物質炭粒徑越小，其表面提供的吸附活性點位越多，吸附量增加.當吸附劑粒徑為160至200目時，吸附量逐漸趨于平衡并達到最大，由于180目的去除率最佳，因此，確定玉米秸稈生物質炭180目粒徑最佳
2.1.2 吸附時間
苯酚溶液的初始質量濃度為50 mg/L，玉米秸稈生物質炭投加量為2g/L，粒徑為180目，在25℃下調pH至2，得到苯酚吸附量隨時間變化的曲線，見圖2，由圖2可見：吸附量隨時間的增加而增大，在180 min時吸附量達到最大，而后不再增加，因此，確定玉米秸稈生物質炭去除苯酚的最佳吸附時間為180 min.
2.1.3 рH
向質量濃度為50 mg/L的苯酚溶液中加入粒徑為180目的吸附劑2g/L，25 ℃下振蕩180 min，得到苯酚吸附量隨pH變化的曲線，見圖3，由圖3可見：在其他條件不變的情況下，生物質炭對苯酚的吸附量在酸性條件下隨著pH的增大呈下降趨勢：接近中性時，吸附量略有升高，但仍低于pH為2時的吸附量;轉為堿性后，隨著pH的增大吸附量呈下降趨勢，由此說明，在堿性較強時，苯酚由分子形態(tài)轉為離子形態(tài)，其親水性增強，導致玉米秸稈生物質炭對苯酚的吸附能力下降;在酸性條件下對苯酚的吸附能力更佳，pH為2時的去除效果最佳，此時苯酚的去除率可達85.79%.
2.1.4 吸附劑用量
向質量濃度為50 mg/L的苯酚溶液中加入粒徑為180目的吸附劑，調pH至2，在25 ℃下振蕩180 min，得到苯酚吸附量隨玉米秸稈生物質炭投加量變化的曲線，見圖4，由圖4可見：在其他條件不變的情況下，隨著生物質炭投加量的增加，苯酚的去除率增加顯著，在玉米秸稈生物質炭加入量為10 mg/L時，去除率可達98.8%，達到最佳.之后，隨著吸附劑用量的增加苯酚去除率變化不明顯，且略低于玉米秸稈生物質炭加入量為10 mg/L時的去除率，因此，本次研究玉米秸稈生物質炭的用量為10 mg/L.
2.1.5初始質量濃度
分別取質量濃度為20~600 mg/L的苯酚溶液置于250 ml.錐形瓶中，玉米秸稈生物質炭投加量為10
g/L，粒徑為180目，調pH至2，25 ℃下振蕩180 min，得到苯酚的吸附量隨溶液初始質量濃度變化的曲線，見圖5，由圖5可見：吸附量隨苯酚質量濃度的升高而增大，升高到一定值后吸附量增加減緩，趨于平衡當苯酚初始質量濃度增加到500 mg/L時，吸附達到飽和.
2.1.6 吸附溫度
向質量濃度為50 mg/L的苯酚溶液中加入粒徑為180目的吸附劑10g/L，調pH至2，振蕩180 min，得到苯酚吸附量隨溫度變化的曲線，見圖6，由圖6可見：吸附量隨溫度的變化不大，隨著溫度升高，苯酚的吸附量有所升高，可能是吸熱過程，考慮到節(jié)能因素，吸附可選擇在室溫下進行.
2. 2 吸附動力學
為了深入分析吸附機理，分別應用準一級動力學模型式( 1) 、準二級動力學模型式( 2) 及顆粒內(nèi)擴散方程式( 3) 對動力學曲線進行擬合分析. 擬合參數(shù)見表 1
由表 1 可見: 準一級動力學模型、準二級動力學模型和顆粒內(nèi)擴散模型 3 種模型的相關系數(shù)分別為0. 801 2、1 和 0. 771 6，準二級動力學模型擬合的相關系數(shù)最高，線性相關性顯著，并且由準二級動力學模型擬合計算所得到的 qe與試驗得到的 qe非常接近，所以整個吸附過程更符合準二級動力學模型，該模型以化學鍵的形成為主，說明該吸附過程以化學吸附為主.
2. 3 吸附等溫線
為了進一步考察生物質炭對苯酚的吸附行為，采用 Langrnuir 和 Freundlich 等溫吸附模型[11]對等溫吸
附數(shù)據(jù)進行擬合，擬合方程見式( 4) 和式( 5) ，擬合所得參數(shù)見表 2.
由表 2 可見: Langrnuir 方程擬合的相關系數(shù)略高于 Freundlich 方程擬合的相關系數(shù)，相關性更顯著.由此表明，Langrnuir 等溫吸附模型優(yōu)于 Freundlich 等溫吸附模型，玉米秸稈生物質炭對苯酚的吸附更符合Langrnuir 吸附等溫方程，說明玉米秸稈生物質炭對苯酚的吸附行為為單分子層吸附[12]，其最大吸附量為44. 2 5mg /g. 但 Freundlich 方程擬合的系數(shù)中 n 大于 1，說明該吸附劑對苯酚具有較強的吸附能力.
2. 4 吸附熱力學
采用擬合較好的等溫吸附模型( Langrnuir) 計算相關的熱力學指標[9]:
由表3可知：AH為正，說明吸附過程為吸熱反應，以化學吸附為主，這與準動力學的擬合結果相符;AG為負值，說明玉米秸稈生物質炭對苯酚的吸附以表面吸附為主，是一個自發(fā)的吸附過程，且溫度越高自發(fā)程度越大：AS為正，說明吸附過程在固液界面的無序性增加"3
3結論與討論
通過研究吸附劑粒徑、吸附時間、溶液pH，以及吸附劑用量、質量濃度、溫度等因素考察了玉米秸稈生物質炭對苯酚吸附效果的影響，并進一步研究了其動力學和熱力學特性，結果表明：吸附的平衡時間為180 min，酸性條件下有利于玉米秸稈生物質炭對苯酚的吸附，吸附劑最佳投加量為10g/L;在最佳吸附條件下，苯酚的吸附去除率達98.85%，吸附量高達44.25 mg/g：溫度對苯酚吸附的影響不明顯玉米秸稈生物質炭對苯酚的吸附過程更符合準二級動力學模型，該模型主要以化學鍵的形成為主，說明該吸附過程以化學吸附為主;玉米秸稈生物質炭吸附苯酚符合Langmuir模型，屬于單分子層吸附，熱力學研究表明，玉米秸稈生物質炭吸附苯酚的過程是吸熱、自發(fā)的過程，溫度升高有利于吸附.
目前，對生物質炭的認識和研究還比較淺顯，相關機理還不清楚;農(nóng)業(yè)廢棄物生物質炭的制備仍處于實驗室階段，未能開展大規(guī)模工程生產(chǎn)，且產(chǎn)量較低：農(nóng)業(yè)廢棄物生物質炭對改良、修復土壤和作物生長的促進作用機理尚不清楚，且缺乏長期的實驗數(shù)據(jù)支持，因此，未來應針對以上問題繼續(xù)開展深入研究，盡快實現(xiàn)生物質炭的大量、高效、廉價生產(chǎn).
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