芭蕉芋渣對(duì)亞甲基藍(lán)的動(dòng)態(tài)吸附研究

1、第 27卷第 1期2011年 1月 福建師范大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)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(hào) :1000-5277(2011 01-0067-05芭蕉芋渣對(duì)亞甲基藍(lán)的動(dòng)態(tài)吸附研究盧玉棟 , 葉琳 , 吳宗華 , 林筱璇(福建師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院 , 福建 福州 350108摘要 :利用芭蕉芋渣填料柱對(duì)水 中亞甲基藍(lán) (M B 進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸 附 . 探討了初始質(zhì)量濃度、 床層高度、 pH 值等因素對(duì)穿透曲線的影響 , 運(yùn)用數(shù)學(xué)

2、模型對(duì)在不同層高和質(zhì)量濃度下的吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合 . 結(jié)果表明 , 芭 蕉芋渣能有效去除水中的亞甲基藍(lán) , 隨著床層高度的 增高、 pH 的增大和初始質(zhì)量濃度的減小 , 芭蕉芋渣 填 料柱對(duì)水中亞甲基藍(lán)的吸附穿透曲線位點(diǎn)向 右移 . 通過(guò)數(shù)學(xué)模型得到的速率常數(shù)、相關(guān)系數(shù)、 平衡吸附量和 動(dòng)力學(xué)參數(shù) , 能較好地描述芭蕉芋渣填料柱吸附亞甲 基藍(lán)的吸附動(dòng)力學(xué) .關(guān)鍵詞 :芭蕉芋渣 ; 亞甲基藍(lán) ; 動(dòng)態(tài)吸附 ; 穿透曲線 ; 數(shù)學(xué)模型中圖分類(lèi)號(hào) :T Q 424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A收稿日期 :2010-09-07基金項(xiàng)目 :福建師范大學(xué)橫向項(xiàng)目 (DH-585 ; 福建師范大學(xué)本科生課外科技計(jì)劃項(xiàng)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(jī)物含量高、色度深、堿性大、水質(zhì)變化頻繁等特點(diǎn) , 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(wèn)題 . 近年來(lái)來(lái)源廣、性?xún)r(jià)比高的生物質(zhì)吸 附材料引起國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注 , 他們對(duì)甘蔗渣 2、 工業(yè)大麻桿芯 3、 玉米芯 4、 糠醛渣 5等進(jìn)行了大 量的研究 .芭蕉芋又稱(chēng)蕉藕和姜芋 , 是我國(guó)東南地區(qū)的主要農(nóng)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(chǎn)生了大量殘?jiān)?, 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(duì)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(guò)吸附塔 (罐 的動(dòng)態(tài)吸附是吸附法處理廢水的主要

9、工藝 . 為了進(jìn)一步考察 芭蕉芋渣吸附染料亞甲基藍(lán) (MB 的性能 , 本文研究了染料質(zhì)量濃度、 吸附時(shí)間等因素對(duì)動(dòng)態(tài)吸附效 果的影響 .1實(shí)驗(yàn)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(lán) , 分析 純 , 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 .HY -2調(diào)速多用振蕩器 (國(guó)華電器有限公司 ; 201型超級(jí)恒溫器 (上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司 ; 標(biāo) 準(zhǔn)檢驗(yàn)篩 (上虞市宏興儀器廠 ; 722型紫外 -可見(jiàn)分光光度計(jì) (上海光學(xué)儀器五廠 .1. 2實(shí)驗(yàn)方法填料柱是內(nèi)徑為 1. 5cm 、長(zhǎng)為 35cm 的冷凝管 , 冷凝管內(nèi)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(diào)節(jié)亞甲基藍(lán)溶液的流速 ; 通過(guò)恒溫器提供的恒溫水控制 和保持填料柱溫度 . 在設(shè)計(jì)時(shí)間點(diǎn)取樣 , 將 MB 溶液稀釋后 , 用 722型紫外 -可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定 665nm 處的吸光度 , 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算其質(zhì)量濃度 .2結(jié)果與討論2. 1固定床高度對(duì)芭蕉芋渣動(dòng)態(tài)吸附 MB 的影響穿透曲線是評(píng)價(jià)固定床吸附過(guò)程的主要方法之一 . 穿透曲線的穿透點(diǎn)取固定床出水中吸附質(zhì)的質(zhì)量濃度超過(guò)相關(guān)限制標(biāo)準(zhǔn)或?yàn)槌跏假|(zhì)量濃度的某一值 (常取 0. 10或 0. 5 0 時(shí)的點(diǎn) 7-9, 本研究中取t / 0=0. 5時(shí)為穿透點(diǎn) .

11、在 MB 溶液初始質(zhì)量濃度為 92mg /L , 流速為 2mL /m in , 溫度為 15的條件下 , 分別測(cè)定了固定 床高度分別為 1. 5, 3. 0, 4. 5cm 時(shí)芭蕉芋渣吸附 MB 的穿透曲線 , 結(jié)果如圖 1所示 .圖 1床層高度對(duì)芭蕉芋渣 動(dòng)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(diǎn)向右移 , 當(dāng)高度由 1. 5cm 增加到 3cm 時(shí) , 穿透點(diǎn)由 150min 升高至 250m in, 當(dāng)高度由3cm 增加到 4. 5cm 時(shí) , 穿透點(diǎn)由 250min 升高至 310min . 這主要是隨填料層高度的增加 , 亞甲基藍(lán)在填料柱內(nèi)的吸附位

12、點(diǎn)和停留時(shí)間增加 ,從而增加了傳質(zhì)帶的距離 , 有利于吸附質(zhì)的吸附去除 . 因此增加填料床的高度 , 能使填料柱的穿透時(shí)間增加 , 處理亞甲基藍(lán)溶液的能力也增強(qiáng) .2. 2初始質(zhì)量濃度對(duì)芭蕉芋渣動(dòng)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(lán)起始質(zhì)量濃度 對(duì) 芭蕉芋渣動(dòng)態(tài)吸附 MB 的影響 別測(cè)定了亞甲基藍(lán)初始質(zhì)量濃度為 92, 500, 1000mg /L 時(shí)的穿透曲線 ,結(jié)果如圖 2所示 .由圖 2可知 , 隨 M B 初始質(zhì)量濃度的增大 , 穿透曲線上的穿透點(diǎn)向左移且穿透曲線變陡峭 , 當(dāng) M B 初始質(zhì)量濃度由 9

13、2mg /L 增加到 500mg /L 時(shí) , 穿透時(shí)間由 250min 減至 50m in , 填料柱的穿透時(shí)間明顯縮短 . 這是由于隨著 MB 初始質(zhì)量濃度的增大 , 亞甲基藍(lán)傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力增大 ,更多吸附位點(diǎn)被亞甲基藍(lán)分子所覆蓋 , 導(dǎo)致吸附帶長(zhǎng)度減少 . 當(dāng) M B 初始質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加至 1000mg /L 時(shí) , 穿透時(shí)間由 50min 減至 30min , 穿透時(shí)間的變化顯著減小 . 通過(guò)計(jì)算可知 , 芭蕉芋渣在穿透點(diǎn)分 m 的 M M B M B 68福 建 師 范 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) (自 然 科 學(xué) 版 2011年增大而增大 .2. 3初始 pH 對(duì)芭蕉芋渣動(dòng)態(tài)吸附 MB的影響

14、圖 3 MB 溶液的 pH 對(duì)芭蕉芋渣動(dòng)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(cè)定了 M B 溶液的 pH 值分別為 4. 8, 6. 8和 8. 8時(shí)的穿透曲線 , 結(jié)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(diǎn)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(shí) , 穿透時(shí)間由 200min 增至 250min, 填料柱的穿透時(shí)間增長(zhǎng) ; 當(dāng) MB 溶液的 pH 由6. 8增加到 8. 8時(shí) , 穿透時(shí)間由 250m in 增至 320min , 填料柱的

15、穿透時(shí)間明顯增長(zhǎng) . 這主要是由于芭蕉芋渣的主要成分是纖維素、 木質(zhì)素、 半 纖維素 , 帶有大量的羧基基團(tuán) , 隨著 M B 溶液的 pH 值增加 , 芭蕉芋渣表面的羧基基團(tuán)電離出 H +越多 , 所帶負(fù)電荷越強(qiáng) , 更有利于陽(yáng)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(shí)間增加 , 處理亞甲基藍(lán)溶液的能力也增強(qiáng) .2. 4固定床工藝參數(shù)數(shù)學(xué)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(wèn)題的存 在 , 在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取得吸附等溫方程并不能準(zhǔn)確描述動(dòng)態(tài)的填料柱吸附過(guò)程 . 因此 , 有必要 對(duì)填料柱的

16、動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型 , 對(duì)芭蕉芋渣填料柱吸附 MB 的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬 .在填料柱吸附 M B 的過(guò)程中 , 假設(shè)被芭蕉芋渣吸附的 M B 占總 M B 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 (A , 吸附流出液 中 M B 占總 M B 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 (B , 則 M B 吸附速率與 的關(guān)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(dāng) t =t i 時(shí) , (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(zhuǎn)化為 ln (B i (1- (B i

17、 / (B (1- (B i =k (t i -t .(3 假設(shè) M B 的吸附率為 0. 5, 此時(shí)吸附時(shí)間 t i 設(shè)為 x , 式 (3 可換算成t =x +ln (B /(1- (B /k . (4 設(shè) (B = / 0, 其中 是吸附流出液中 M B 的質(zhì)量濃度 , 0是 M B 的初始質(zhì)量濃度 . 根據(jù) (4 , 用 t 對(duì) 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(shí)間為 x 的假定基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的 , 芭蕉芋渣吸附達(dá)飽和的時(shí)間為 2x , 故芭蕉芋渣吸附在 填料柱半透吸附時(shí)間 x

18、時(shí)吸附 MB 的質(zhì)量 :m = 0F x ,(5 式中 m 是芭蕉芋渣在 MB 質(zhì)量濃度為 0, 流速 F =2mL/min 和 0. 5穿透時(shí)間 x 時(shí)吸附 M B 的質(zhì)量 . 2. 4. 1 層高對(duì)芭蕉芋渣吸附 M B 的影響的數(shù)學(xué)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(shí)間 t 的線性關(guān)系 . 由圖 4可以看出 , 不同床高下芭蕉芋渣吸附時(shí)間對(duì) ln /( 0- 線性關(guān)系良好 , 1. 5與 3cm 的 相關(guān)系數(shù)分別達(dá)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(lán)達(dá)到 0. 5穿透點(diǎn)時(shí) 的 M B 吸附量 (m 見(jiàn)表

19、 1.表 1芭蕉芋渣填料柱吸附 MB 數(shù)學(xué)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(duì) M B 吸附穿透曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

20、進(jìn)行模擬 , 結(jié)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(dòng)態(tài)吸附 M B 溶液的過(guò)程 .圖 4不同層高下芭蕉芋渣 對(duì) MB 的吸附模型 圖 5不同層高下芭 蕉芋渣對(duì) MB 吸附的 模擬值和實(shí)測(cè)值的比較2. 4. 2質(zhì)量濃度對(duì)芭蕉芋渣吸附 M B 的影響的數(shù)學(xué)模型圖 6為芭蕉芋渣吸附不同初始質(zhì)量濃度的 MB 的 ln /( 0- 與吸附時(shí)間 t 的線性關(guān)系 .圖 6不同初始質(zhì)量濃度下 芭蕉芋渣對(duì) MB 的吸附模型 圖 7不同初始質(zhì)量濃度下芭蕉芋渣對(duì) MB 吸附的模擬值與實(shí)測(cè)值的比 較圖 6可以看出 , 不同初始質(zhì)量濃度下芭蕉芋渣吸附 M B 溶液的 ln /

21、( 0- 與 t 的線性關(guān)系較 好 , 92與 500mg /L 的相關(guān)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(dá)到 0. 5穿透點(diǎn)時(shí)的 M B 吸附量見(jiàn)表 1. 根據(jù)所得參數(shù)對(duì) M B 吸附穿透曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬 , 結(jié)果見(jiàn)圖 7. 由圖 7可以看出該模型能很好地模擬不同初始質(zhì)量濃度下芭蕉芋渣動(dòng)態(tài)吸附 M B 溶液的過(guò)程 .2. 4. 3 pH 對(duì)芭蕉芋渣吸附 MB 的影響的數(shù)學(xué)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(shí)間 t 的線性關(guān)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(guān)系較好 , pH 為 4. 8與 8. 8的 相關(guān)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(lán)達(dá)到 0. 5穿透點(diǎn)時(shí)的 M B 吸附量見(jiàn)表 1. 根據(jù)所得參數(shù)對(duì) M B 吸附穿透曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬 , 結(jié)果見(jiàn)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(dòng)態(tài)吸附亞甲基藍(lán)溶液的過(guò)程 .圖 8不同初始 pH 下 芭蕉芋渣對(duì) MB 的吸附模型 圖 9不同 初始 pH 下芭蕉芋渣對(duì) MB 吸附的模擬值與實(shí)測(cè)值的比較3結(jié)論(1 芭蕉芋渣能有效去除水中的亞甲基藍(lán) , 隨著床層高度的增高、 pH 的增大和

23、質(zhì)量濃度的減小 , 芭蕉芋渣填料柱對(duì)水中亞甲基藍(lán)的吸附穿透曲線位點(diǎn)向右移 .(2 通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的速率常數(shù)、相關(guān)系數(shù)、平衡吸附量和動(dòng)力學(xué)參數(shù) , 能較好地描述芭 蕉芋渣填料柱吸附亞甲基藍(lán)的吸附動(dòng)力學(xué) .(3 芭蕉芋渣填料柱對(duì)亞甲基藍(lán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附 , 最佳床層高度為 4. 5cm , 質(zhì)量濃度為 1000mg /L. 參考文獻(xiàn) :1馮凱 , 邱木清 . 生物 法處理染料廢水的研究與進(jìn)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(nóng)業(yè)科學(xué) , 2009, 37(11 :5078-5080.3

24、連惠山 , 朱小平 , 陳國(guó)華 . 工 業(yè)大麻桿芯粉對(duì)亞甲基藍(lán)染料的吸附性能 J.華僑大學(xué)學(xué)報(bào) :自然科學(xué)版 , 2009, 30(4 :406-411.4許 茂東 , 吳之傳 , 張勇 , 等 . 玉米芯對(duì)活性艷紅 K -2BP 染料的吸附性能及動(dòng)力學(xué)研究 J .安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào) :自 然科學(xué)版 , 2009, 24(1 :25-28.5任廣軍 , 高曉榮 . 糠 醛渣對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能研究 J. 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào) , 2009, 28(3 :62-65.6K lanar ong Sr ir ot h , K uakoo n P iy acho mkwa n , 金樹(shù)人 , 等 . 芭蕉芋淀粉的性質(zhì)、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(shù)脂吸 附法分離純化桑葉總黃酮 ( 動(dòng)態(tài)法分離桑葉總黃酮的工藝條件及數(shù)學(xué)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