芭蕉芋渣對亞甲基藍的動態(tài)吸附研究

1、第 27卷第 1期2011年 1月 福建師范大學學報 (自然科學版 Jo ur nal of F ujian N or mal U niver sity (Nat ur al Science Edition V ol. 27 N o. 1Jan. 2011文章編號 :1000-5277(2011 01-0067-05芭蕉芋渣對亞甲基藍的動態(tài)吸附研究盧玉棟 , 葉琳 , 吳宗華 , 林筱璇(福建師范大學化學與材料學院 , 福建 福州 350108摘要 :利用芭蕉芋渣填料柱對水 中亞甲基藍 (M B 進行動態(tài)吸 附 . 探討了初始質量濃度、 床層高度、 pH 值等因素對穿透曲線的影響 , 運用數(shù)學

2、模型對在不同層高和質量濃度下的吸附數(shù)據(jù)進行擬合 . 結果表明 , 芭 蕉芋渣能有效去除水中的亞甲基藍 , 隨著床層高度的 增高、 pH 的增大和初始質量濃度的減小 , 芭蕉芋渣 填 料柱對水中亞甲基藍的吸附穿透曲線位點向 右移 . 通過數(shù)學模型得到的速率常數(shù)、相關系數(shù)、 平衡吸附量和 動力學參數(shù) , 能較好地描述芭蕉芋渣填料柱吸附亞甲 基藍的吸附動力學 .關鍵詞 :芭蕉芋渣 ; 亞甲基藍 ; 動態(tài)吸附 ; 穿透曲線 ; 數(shù)學模型中圖分類號 :T Q 424文獻標識碼 :A收稿日期 :2010-09-07基金項目 :福建師范大學橫向項目 (DH-585 ; 福建師范大學本科生課外科技計劃項目 (

3、BKL2010-033:(:Methylene Blue Removal from Aqueous Solution by CannaEdulis Kerl Residual in Fixed -bed ColumnLU Yu -dong , YE Lin , WU Zong -hua , LIN Xiao -xuan(Colleg e of Chemistry and M ater ials S cience , Fuj ian N ormal Univ er sity , Fuz hou 350108, China Abstract :T he capability o f canna e

4、dulis kerl residual to adsorb methy lene blue (M B fr om aqueous so lution w as investigated in a fix ed -bed column . T he effects of important param eters on breakthro ug h curv e, such as the filler height, pH and concentr ations of M B w er e studied. Mathem atical dynamic m odel respectiv ely a

5、t differ ent filler height, different pH and different concentrations of hig h-lay er adsorption data were applied to simulate column adsorption data and to o btain r elevant parameters . T he results show ed that canna edulis kerl residual as an adso rbent to remo ve the MB w as efficient . As the

6、filler heig ht , the pH increasing and density increasing , the breakthro ug h point in the breakthrough curv es mo ved to right. The rate constants, correlatio n coefficients, equilibr ium adsorption capacity and kinetic par am eters, which w ere calculated through mathem atical m odels, can be use

7、d to describe the adsorption kinetics of M B by canna edulis kerl residual well.Key words :canna edulis ker l residual; m ethylene blue; dynamic adso rption;br eakthr oug h curv e ; mathem atical mo deling印染廢水由于具有水量大、有機物含量高、色度深、堿性大、水質變化頻繁等特點 , 是目前最難 處理的工業(yè)廢水之一 1. 吸附法是處理印染廢水的主要方法之一 . 活性炭等吸附劑可以有效去除廢水中

8、的活性、堿性、偶氮染料等 , 但存在再生困難 , 成本高等問題 . 近年來來源廣、性價比高的生物質吸 附材料引起國內外研究者的關注 , 他們對甘蔗渣 2、 工業(yè)大麻桿芯 3、 玉米芯 4、 糠醛渣 5等進行了大 量的研究 .芭蕉芋又稱蕉藕和姜芋 , 是我國東南地區(qū)的主要農作物 . 芭蕉芋中淀粉含量約為 30%, 是加工淀 粉和變性淀粉的優(yōu)良原料 . 芭蕉芋用于加工淀粉后產生了大量殘渣 , 目前除少量用于飼料、 發(fā)酵外 , 芭蕉芋渣未得到有效利用 6. 本研究的前期工作表明芭蕉芋渣對染料的吸附容量大 , 可替代活性炭等用于染料廢水的深度處理 . 通過吸附塔 (罐 的動態(tài)吸附是吸附法處理廢水的主要

9、工藝 . 為了進一步考察 芭蕉芋渣吸附染料亞甲基藍 (MB 的性能 , 本文研究了染料質量濃度、 吸附時間等因素對動態(tài)吸附效 果的影響 .1實驗部分1. 1試劑與儀器芭蕉芋渣由福建省永泰縣蕉芋粉加工廠提供 , 將其烘干 , 粉碎至 30120目備用 ; 亞甲基藍 , 分析 純 , 國藥集團化學試劑有限公司 .HY -2調速多用振蕩器 (國華電器有限公司 ; 201型超級恒溫器 (上海實驗儀器廠有限公司 ; 標 準檢驗篩 (上虞市宏興儀器廠 ; 722型紫外 -可見分光光度計 (上海光學儀器五廠 .1. 2實驗方法填料柱是內徑為 1. 5cm 、長為 35cm 的冷凝管 , 冷凝管內管底部鋪一小

10、塊紗布作為承托層 ; 冷凝 管頂部放置容量為 125mL 的分液漏斗 , 用于調節(jié)亞甲基藍溶液的流速 ; 通過恒溫器提供的恒溫水控制 和保持填料柱溫度 . 在設計時間點取樣 , 將 MB 溶液稀釋后 , 用 722型紫外 -可見分光光度計測定 665nm 處的吸光度 , 根據(jù)標準曲線計算其質量濃度 .2結果與討論2. 1固定床高度對芭蕉芋渣動態(tài)吸附 MB 的影響穿透曲線是評價固定床吸附過程的主要方法之一 . 穿透曲線的穿透點取固定床出水中吸附質的質量濃度超過相關限制標準或為初始質量濃度的某一值 (常取 0. 10或 0. 5 0 時的點 7-9, 本研究中取t / 0=0. 5時為穿透點 .

11、在 MB 溶液初始質量濃度為 92mg /L , 流速為 2mL /m in , 溫度為 15的條件下 , 分別測定了固定 床高度分別為 1. 5, 3. 0, 4. 5cm 時芭蕉芋渣吸附 MB 的穿透曲線 , 結果如圖 1所示 .圖 1床層高度對芭蕉芋渣 動態(tài)吸附 MB 的影響由圖 1可知 , 隨高度的增加 , 穿透曲線上的穿透點向右移 , 當高度由 1. 5cm 增加到 3cm 時 , 穿透點由 150min 升高至 250m in, 當高度由3cm 增加到 4. 5cm 時 , 穿透點由 250min 升高至 310min . 這主要是隨填料層高度的增加 , 亞甲基藍在填料柱內的吸附位

12、點和停留時間增加 ,從而增加了傳質帶的距離 , 有利于吸附質的吸附去除 . 因此增加填料床的高度 , 能使填料柱的穿透時間增加 , 處理亞甲基藍溶液的能力也增強 .2. 2初始質量濃度對芭蕉芋渣動態(tài)吸附 MB 的影響在填料柱 15 , 填料床高度 3cm, 流速為 2mL/m in 的條件下 , 分圖 2亞甲基藍起始質量濃度 對 芭蕉芋渣動態(tài)吸附 MB 的影響 別測定了亞甲基藍初始質量濃度為 92, 500, 1000mg /L 時的穿透曲線 ,結果如圖 2所示 .由圖 2可知 , 隨 M B 初始質量濃度的增大 , 穿透曲線上的穿透點向左移且穿透曲線變陡峭 , 當 M B 初始質量濃度由 9

13、2mg /L 增加到 500mg /L 時 , 穿透時間由 250min 減至 50m in , 填料柱的穿透時間明顯縮短 . 這是由于隨著 MB 初始質量濃度的增大 , 亞甲基藍傳質驅動力增大 ,更多吸附位點被亞甲基藍分子所覆蓋 , 導致吸附帶長度減少 . 當 M B 初始質量濃度進一步增加至 1000mg /L 時 , 穿透時間由 50min 減至 30min , 穿透時間的變化顯著減小 . 通過計算可知 , 芭蕉芋渣在穿透點分 m 的 M M B M B 68福 建 師 范 大 學 學 報 (自 然 科 學 版 2011年增大而增大 .2. 3初始 pH 對芭蕉芋渣動態(tài)吸附 MB的影響

14、圖 3 MB 溶液的 pH 對芭蕉芋渣動態(tài)吸附的影響 在填料柱 15 , 填料床高度 3cm, 流速為 2mL/m in 的條件下 , 分別測定了 M B 溶液的 pH 值分別為 4. 8, 6. 8和 8. 8時的穿透曲線 , 結果如圖 3所示 .由圖 3可知 , 隨 MB 的初始 pH 的增大 , 穿透曲線上的穿透點先向右移且穿透曲線變平緩 , MB 溶液的 pH 由 4. 8增加到 6. 8時 , 穿透時間由 200min 增至 250min, 填料柱的穿透時間增長 ; 當 MB 溶液的 pH 由6. 8增加到 8. 8時 , 穿透時間由 250m in 增至 320min , 填料柱的

15、穿透時間明顯增長 . 這主要是由于芭蕉芋渣的主要成分是纖維素、 木質素、 半 纖維素 , 帶有大量的羧基基團 , 隨著 M B 溶液的 pH 值增加 , 芭蕉芋渣表面的羧基基團電離出 H +越多 , 所帶負電荷越強 , 更有利于陽離子染料 M B 的吸附 . 因此增加 MB 的 初始 pH , 能使填料柱的穿透時間增加 , 處理亞甲基藍溶液的能力也增強 .2. 4固定床工藝參數(shù)數(shù)學模擬7, 10由于在填料柱吸附工藝中吸附是非平衡的 , 且填料柱中吸附劑吸附能力并未完全耗盡等問題的存 在 , 在靜態(tài)吸附實驗過程中取得吸附等溫方程并不能準確描述動態(tài)的填料柱吸附過程 . 因此 , 有必要 對填料柱的

16、動態(tài)吸附過程建立數(shù)學模型 , 對芭蕉芋渣填料柱吸附 MB 的工藝參數(shù)進行數(shù)學模擬 .在填料柱吸附 M B 的過程中 , 假設被芭蕉芋渣吸附的 M B 占總 M B 的質量分數(shù)為 (A , 吸附流出液 中 M B 占總 M B 的質量分數(shù)為 (B , 則 M B 吸附速率與 的關系可表示為 : d (A /d t =k (A (B ,(1 式中 k 是吸附穿透曲線系數(shù) ; (B =1- (A ; 當 t =t i 時 , (A = (A i , 由式 (1 積分得ln (A (1- (A i / (A i (1- (A i =k (t i /t ,(2 則轉化為 ln (B i (1- (B i

17、 / (B (1- (B i =k (t i -t .(3 假設 M B 的吸附率為 0. 5, 此時吸附時間 t i 設為 x , 式 (3 可換算成t =x +ln (B /(1- (B /k . (4 設 (B = / 0, 其中 是吸附流出液中 M B 的質量濃度 , 0是 M B 的初始質量濃度 . 根據(jù) (4 , 用 t 對 ln /( 0- 作直線 , 斜率和截距分別為 1/k 和 x , 因此 , 式 (4 是建立在填料柱吸附 M B 發(fā)生 0. 5穿透的吸附時間為 x 的假定基礎上推導出來的 , 芭蕉芋渣吸附達飽和的時間為 2x , 故芭蕉芋渣吸附在 填料柱半透吸附時間 x

18、時吸附 MB 的質量 :m = 0F x ,(5 式中 m 是芭蕉芋渣在 MB 質量濃度為 0, 流速 F =2mL/min 和 0. 5穿透時間 x 時吸附 M B 的質量 . 2. 4. 1 層高對芭蕉芋渣吸附 M B 的影響的數(shù)學模型圖 4所示為不同填料床高度下芭蕉芋渣吸附 MB 的 ln /( 0- 與吸附時間 t 的線性關系 . 由圖 4可以看出 , 不同床高下芭蕉芋渣吸附時間對 ln /( 0- 線性關系良好 , 1. 5與 3cm 的 相關系數(shù)分別達到了 0. 9774與 0. 9892, 所得到的斜率和截距及填料柱在亞甲基藍達到 0. 5穿透點時 的 M B 吸附量 (m 見表

19、 1.表 1芭蕉芋渣填料柱吸附 MB 數(shù)學模擬參數(shù)參數(shù)k -1/min x /min R 2m /mg 層高 /cm1. 545. 25162. 830. 977429. 963. 051. 55260. 550. 989247. 94 /(mg L -1 9251. 55260. 550. 989247. 9450012. 0949. 670. 966549. 67pH 4. 820. 13231. 140. 895542. 536. 851. 55260. 550. 989247. 948. 822. 70369. 920. 976368. 07根據(jù)所得參數(shù)對 M B 吸附穿透曲線實驗數(shù)據(jù)

20、進行模擬 , 結果如圖 5所示 . 由圖 5可以看出該模型能很好地模擬不同填料床高度下芭蕉芋渣動態(tài)吸附 M B 溶液的過程 .圖 4不同層高下芭蕉芋渣 對 MB 的吸附模型 圖 5不同層高下芭 蕉芋渣對 MB 吸附的 模擬值和實測值的比較2. 4. 2質量濃度對芭蕉芋渣吸附 M B 的影響的數(shù)學模型圖 6為芭蕉芋渣吸附不同初始質量濃度的 MB 的 ln /( 0- 與吸附時間 t 的線性關系 .圖 6不同初始質量濃度下 芭蕉芋渣對 MB 的吸附模型 圖 7不同初始質量濃度下芭蕉芋渣對 MB 吸附的模擬值與實測值的比 較圖 6可以看出 , 不同初始質量濃度下芭蕉芋渣吸附 M B 溶液的 ln /

21、( 0- 與 t 的線性關系較 好 , 92與 500mg /L 的相關系數(shù)分別為 0. 9892與 0. 9665. 所得到的斜率和截距及填料柱在 M B 達到 0. 5穿透點時的 M B 吸附量見表 1. 根據(jù)所得參數(shù)對 M B 吸附穿透曲線實驗數(shù)據(jù)進行模擬 , 結果見圖 7. 由圖 7可以看出該模型能很好地模擬不同初始質量濃度下芭蕉芋渣動態(tài)吸附 M B 溶液的過程 .2. 4. 3 pH 對芭蕉芋渣吸附 MB 的影響的數(shù)學模型圖 8為芭蕉芋渣吸附不同初始 pH 的 MB 的 ln /( 0- 與吸附時間 t 的線性關系 . 圖 8可以看 出 , 不同初始 pH 下芭蕉芋渣吸附 M B 溶

22、液的 ln /( 0- 與 t 的線性關系較好 , pH 為 4. 8與 8. 8的 相關系數(shù)分別為 0. 9853與 0. 9875. 所得到的斜率和截距及填料柱在亞甲基藍達到 0. 5穿透點時的 M B 吸附量見表 1. 根據(jù)所得參數(shù)對 M B 吸附穿透曲線實驗數(shù)據(jù)進行模擬 , 結果見圖 9. 由圖 9可看出該模型能很好地模擬不同初始 pH 下芭蕉芋渣動態(tài)吸附亞甲基藍溶液的過程 .圖 8不同初始 pH 下 芭蕉芋渣對 MB 的吸附模型 圖 9不同 初始 pH 下芭蕉芋渣對 MB 吸附的模擬值與實測值的比較3結論(1 芭蕉芋渣能有效去除水中的亞甲基藍 , 隨著床層高度的增高、 pH 的增大和

23、質量濃度的減小 , 芭蕉芋渣填料柱對水中亞甲基藍的吸附穿透曲線位點向右移 .(2 通過數(shù)學模型計算得到的速率常數(shù)、相關系數(shù)、平衡吸附量和動力學參數(shù) , 能較好地描述芭 蕉芋渣填料柱吸附亞甲基藍的吸附動力學 .(3 芭蕉芋渣填料柱對亞甲基藍進行動態(tài)吸附 , 最佳床層高度為 4. 5cm , 質量濃度為 1000mg /L. 參考文獻 :1馮凱 , 邱木清 . 生物 法處理染料廢水的研究與進展 J . 工業(yè)水處理 , 2009, 29(2 :19-21.2魏勝華 , 王瑾 , 朱龍寶 . 改性甘蔗渣吸附水溶液中酸性染料的研究 J .安徽農業(yè)科學 , 2009, 37(11 :5078-5080.3

24、連惠山 , 朱小平 , 陳國華 . 工 業(yè)大麻桿芯粉對亞甲基藍染料的吸附性能 J.華僑大學學報 :自然科學版 , 2009, 30(4 :406-411.4許 茂東 , 吳之傳 , 張勇 , 等 . 玉米芯對活性艷紅 K -2BP 染料的吸附性能及動力學研究 J .安徽工程科技學院學報 :自 然科學版 , 2009, 24(1 :25-28.5任廣軍 , 高曉榮 . 糠 醛渣對亞甲基藍的吸附性能研究 J. 沈陽理工大學學報 , 2009, 28(3 :62-65.6K lanar ong Sr ir ot h , K uakoo n P iy acho mkwa n , 金樹人 , 等 . 芭蕉芋淀粉的性質、加工與利用 J .淀粉與淀粉糖 , 2009, 3:29-36.7王俊 , 吳福安 , 楊克迪 , 等 . 樹脂吸 附法分離純化桑葉總黃酮 ( 動態(tài)法分離桑葉總黃酮的工藝條件及數(shù)學模擬 J. 離子交換與吸附 , 2008, 24(4 :345-353.8Po khr el D , Virar aag havan T . A r senic r emov al in an ir on o xide -co ated fung al biomass column :analy sis of breakthr ough curv es J. Bior eso urce T ec