柚子皮对阳离子染料结晶紫的吸附性能研究
2019-12-03陈岩
陈岩
摘 要：研究了柚子皮对阳离子染料结晶紫的吸附性能，考察了不同因素条件变化对柚子皮吸附结晶紫效果的影响，包括振荡吸附时间、柚子皮加入量、盐、温度和结晶紫浓度等，进一步探讨了吸附等温式。结果表明柚子皮吸附结晶紫最佳时间为90 min，柚子皮加入量和盐加入对结晶紫吸附效果有一定的影响，低温条件下柚子皮吸附结晶紫的效果更好。柚子皮吸附结晶紫对Langmuir吸附等温式拟合的更好。298 K时，柚子皮最大吸附容量qm为138.89 mg/g。
关 键 词：柚子皮;结晶紫;吸附
中图分类号：O 647.3 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2019）06-1209-04
Abstract： The adsorption performance of pomelo peel to cationic dye crystal violet was studied. The effect of different factors such as oscillating time， pomelo peel dosage， salts， temperature and initial crystal violet concentration on crystal violet adsorption on the pomelo peel was investigated. The adsorption isotherm was further discussed. The results showed that the optimum adsorption time of crystal violet by pomelo peel was 90 min. The addition of pomelo peel and salts had some effect on the adsorption of crystal violet. The adsorption effect of crystal violet by pomelo peel was better at low temperature. The adsorption of crystal violet by pomelo peel conformed to Langmuir adsorption isotherms better. The maximum adsorption capacity qm was 138.89 mg/g at 298 K.
Key words： Pomelo peel; Crystal violet; Adsorption
隨着工业的发展，由于染料有关产品的需求增加，所以染料废水成为了严重水污染问题的主要来源之一。在地表水中发现的染料的来源主要是染料工业排放。特别是纺织废水，染料浓度很高。导致水体不适合人类饮用、娱乐活动和其他生物的存活。而且染料在环境中不易于自然降解，对环境影响较大。染料废水常用的处理方法主要有混凝、氧化、光降解、吸附等[1-3]，其中吸附法由于简便、快捷、处理效果好等特点，是常用染料废水处理方法之一。结晶紫是一种常用的人工合成的碱性染料，属于三氨基三苯甲烷类化合物。很多吸附剂被用于处理结晶紫废水，包括复合水凝胶[4]、粘土矿物[5]、树脂[6]、生物废弃物[7，8]等。
柚子是我国南方产量丰富的水果之一，营养价值高，还有一定医用价值。柚子皮属于农业废弃物，大多都直接丢弃，并没有有效利用。在腐解过程中不仅对环境有害，而且也是对生物质资源的浪费。因为柚子皮中含有果胶、纤维素、半纤维素、木质素、葡萄糖和果糖等，有丰富的羟基和羰基等活性基团，可以与污染物相互作用[9]，也可以作为制备碳材料的前驱体，在各个领域可能具有广泛的应用[10]。柚子皮已被用于吸附重金属、有机物、染料[11-13]等。本文主要研究了柚子皮对阳离子染料结晶紫的吸附性能。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
ALC-2104电子天平）、UV-1102紫外可见分光光度计、pHS-3C系列pH计、DHG-9146A电热恒温鼓风干燥箱、FW-100高速万能粉碎机;LD5-2A低速离心机、HZQ-C空气浴振荡器。
结晶紫、NaOH、HCl、NaCl、CaCl2等均为分析纯。
1.2 实验方法
1.2.1 柚子皮的预处理
购买市售柚子，将柚子皮用清水清洗后，去除灰尘和溶于水的物质，掰成小块，于80 ℃鼓风干燥箱中烘24 h，烘干后用粉碎机粉碎，装袋封存。后续实验中分别称取一定量进行相关研究。
1.2.2 吸附实验
用分析天平准确称取系列一定质量柚子皮粉末，置于150 mL锥形瓶中，各加入100 mg/L结晶紫溶液50 mL（结晶紫初始浓度影响实验除外），改变不同影响因素如吸附时间、柚子皮加入量、盐浓度、温度和结晶紫浓度等进行实验，在一定温度下振荡90 min（时间实验除外）后离心分离，取一定量上清液测定溶液中剩余结晶紫浓度，并计算吸附率和吸附量qe。
2 结果与讨论
2.1 振荡吸附时间对柚子皮吸附结晶紫效果影响
通过反应时间对吸附影响，可以确定柚子皮吸附结晶紫溶液达到吸附平衡所需要的时间。一系列1 g/L柚子皮与100 mg/L结晶紫溶液50 mL混合样品，分别在振荡器上振荡5～180 min。在不同时间取出一个样品，离心后取上清液测定反应后溶液中剩余结晶紫的浓度。实验结果见图1。
由实验结果可见，柚子皮吸附结晶紫的吸附率和qe随时间变化整体呈现先增加后减小的趋势。在吸附时间5 min时，柚子皮对100和80 mg/L结晶紫的吸附率分别达到76.7%和90.0%。之后随着时间的增加，吸附率增大后有稍有一定变化。对于80 mg/L结晶紫，柚子皮对其吸附在10和90 min效果均较好。对于100 mg/L结晶紫，柚子皮对其吸附在90 min效果最好，90 min后，随着时间的增加，吸附率反而逐渐减小。这可能是时间过长又发生的解析作用，所以使得柚子皮对结晶紫吸附率又逐渐减小。后续实验中柚子皮吸附结晶紫的吸附时间均采用90 min。
2.2 柚子皮加入量对其吸附结晶紫的影响
柚子皮加入量0.6 ～6 g/L分别与100 mg/L结晶紫50 mL混合振荡90 min，图2为柚子皮加入量对结晶紫吸附效果的影响。
在柚子皮加入量范围内，结晶紫吸附率先迅速增加，之后又缓慢减小，qe一直减小。柚子皮加入量0.6 g/L时，结晶紫吸附率77.9%，qe为129.8 mg/g;柚子皮加入量1 g/L，结晶紫吸附率增大到91.3%，qe为91.3 mg/g。柚子皮加入量2 g/L后，随着柚子皮加入量的继续增加，结晶紫吸附率呈逐渐减小的趋势。而qe则随着柚子皮加入量的增大逐渐减少。当柚子皮加入量为6 g/L时，吸附率减小为85.6%，此时qe值较小，降到14.3 mg/g。此现象表明，并非柚子皮加入量越多越利于结晶紫吸附率的增加。综合考虑吸附率和qe，柚子皮加入量1～2 g/L适用于吸附结晶紫。
2.3 盐对柚子皮吸附结晶紫影响
柚子皮加入量2 g/L，100 mg/L结晶紫50 mL，分别加入一定量NaCl 和CaCl2控制盐浓度在0～0.24 mol/L，震荡90 min，离心后取上清液测吸光度计算吸附率和qe。由图3可以看出，NaCl加入不利于柚子皮对结晶紫的吸附，柚子皮吸附结晶紫的吸附率和qe减小;而CaCl2加入有利于柚子皮对结晶紫的吸附，使柚子皮对结晶紫的吸附率和qe增大。在CaCl2浓度0～0.02 mol/L范围内，柚子皮吸附结晶紫吸附率随盐浓度增加而迅速增加，吸附率增加到97.1%，吸附效果增加明显，CaCl2浓度超过0.02 mol/L之后，柚子皮吸附结晶紫吸附率变化的较小。
从图4中可以看出，当结晶紫的初始浓度从80 mg/L增加到180 mg/L时，柚子皮对结晶紫的吸附率逐渐减小，qe明显增大。在柚子皮用量一定的情况下，当溶液中结晶紫浓度较低时，柚子皮上有大量的吸附位点，可以迅速地与结晶紫发生吸附作用，使得结晶紫吸附率较高[14]。随着结晶紫浓度的增加，溶液中结晶紫逐渐过量，吸附位点很快达到饱和，柚子皮吸附结晶紫趋于平衡，所以吸附速率逐渐减慢，吸附率降低[15]。由图4还可以看出，温度越低时，结晶紫吸附率和qe越大，表明柚子皮吸附结晶紫为放热反应，升高温度不利于结晶紫吸附。
对Langmuir吸附等温式拟合的更好，R2更接近于1。表明柚子皮表面均匀，各处的吸附能较接近，被结晶紫分子单分子层覆盖。由Langmuir吸附等温式可以得出298～313 K的qm分别为138.89 mg/g、136.99、138.89、133.33 mg/g。根据Freundlich理论，1/n与吸附剂表面的不均匀性有关，当0<1/n
3 结 论
本文主要研究了柚子皮对阳离子染料结晶紫的吸附性能。柚子皮吸附结晶紫的最佳时间为90 min。柚子皮加入量对结晶紫吸附效果有一定影响，投加量增加后，结晶紫吸附率先明显增加后缓慢减小，qe减小，最佳柚子皮加入量为1～2 g/L。CaCl2加入会促进柚子皮对结晶紫的吸附效果，NaCl加入则相反，抑制了结晶紫的吸附效果。随着结晶紫浓度的增加，吸附率减小，qe增大。低温更利于结晶紫吸附。柚子皮吸附结晶紫更符合Langmuir吸附等温式，298 K时，最大吸附量qm为138.89 mg/g。
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