五种生物吸附剂对亚甲基兰吸附能力的研究.docx
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五种生物吸附剂对亚甲基兰吸附能力的研究
毕业设计(论文)中文摘要
五种生物吸附剂对亚甲基兰吸附能力的研究
摘要:
研究了五种生物吸附剂(米糠、麦麸、海带、紫菜及水花生)吸附模拟废水中的亚甲基兰,比较了这五种吸附剂对亚甲基兰的吸附能力,选用的吸附剂材料价格低廉。
详细论述了多种因素(振荡时间、溶液初始浓度、pH值、吸附剂量、离子强度)对吸附过程的影响。
实验结果表明这五种吸附剂对亚甲基兰的吸附过程能很好地遵循准二级动力学模型,其相关性系数R均达到0.999。
五种吸附剂(米糠、麦麸、海带、紫菜及水花生)对亚甲基兰的单位吸附量随初始浓度的升高而增大;在pH2-5间随pH值的升高而增加;增大吸附剂投加量有利于提高吸附效率;向溶液中加入一定量的NaCl则会使吸附剂对亚甲基兰的吸附能力降低。
关键词:
亚甲基兰生物吸附动力学模型
毕业设计(论文)外文摘要
AdsorptionofaqueousMethyleneBluetrihydrate
byfivedifferentbiosorbents
Abstract:
Thisstudyaimsatcomparativeevaluationoflow-pricedmaterials,namelyricebran,wheatbran,laver,porphyraandalternantheraphiloxeroidesforremovalmethylenebluetrihydratefromsimulatedindustrialwastewater.Theeffectofcontacttime,initialconcentration,pH,adsorbentdosageandionicstrengthintheadsorptionprocesswereinvestigatedindetail.Sorptionkineticdatafollowedpseudo-second-orderkineticsverywell,thecorrelationcoefficientsRallreachingto0.999.MethylenebluetrihydratesorptionbybiosorbentsincreasedwithincreaseininitialconcentrationandsolutionpHintheexaminedrange,butdecreasedwiththeincreasingdosageofadsorbentandionicstrength.
Keywords:
MethyleneBluetrihydrate;biosorption;kineticmodel.
目录
1引言1
2实验方法及步骤2
2.1实验材料与仪器2
2.2实验方法2
2.2.1标准曲线的绘制2
2.2.2数据处理3
3结果与讨论4
3.1溶液pH对吸附的影响4
3.2动力学研究5
3.2.1时间对吸附的影响5
3.2.2准二级动力学模型及其分析6
3.3吸附剂量对吸附的影响8
3.4溶液初始浓度对吸附的影响9
3.5Langmuir与Freundlich吸附等温方程11
3.6离子强度对吸附的影响15
结论17
致谢18
参考文献19
1引言
染料废水色度高、毒性大、生物降解和脱色困难[1],随着轻工业的不断发展,大量的染料废水通过各种途径排入环境中,对水环境造成严重污染并且危害人体健康。
水溶性染料废水的脱色成为一大难题[2]。
由于染料品种多,并朝着抗光解、抗氧化、抗生物氧化方向发展,从而使染料废水处理难度更大。
考虑到工业效率与处理成本,目前工业上常用的方法有絮凝、沉淀、电解、氧化、吸附等,前几种方法虽然效果比较好,但运行工艺条件严格,稳定性差,成本高[3]。
近十年来,生物材料经处理加工成生物吸附剂,用于废水处理成为环境工程领域的一大研究热点。
与其他处理方法相比,生物吸附技术在处理废水方面具有明显优势,如:
原材料来源丰富,品种多,成本低;在低浓度条件下,受其他离子的干扰较小;吸附效率高,再生容易,设备简单,易操作;pH值和温度范围宽。
因此,生物材料吸附具有广阔的应用前景和良好的环境效益、社会效益[4]。
本实验是用米糠、麦麸、海带、紫菜和水花生五种低成本生物吸附剂,以亚甲基兰染料配制成模拟染料用水作为处理对象,对吸附剂在模拟用水处理中的应用规律及吸附机理进行了分析研究。
通过最佳pH值、最佳时间、最佳吸附剂量、初始浓度的确定及米糠、麦麸、紫菜、海带和水花生对亚甲基兰的吸附过程能够很好的遵循准二级动力学模型。
实验证明,米糠、麦麸、海带、紫菜和水花生这五种低成本生物吸附剂,对亚甲基兰具有良好的吸附作用,是具有高效脱色能力的廉价吸附剂。
亚甲基兰为深绿色有铜光的柱状晶体或结晶粉末,又称碱性湖蓝(氯化锌盐)。
英文名称为MethyleneBluetrihydrate。
分子式为C16H18ClN3S·H2O,结构式如图1,分子量为373.90。
亚甲基兰在水溶液中呈一价有机阳离子[5],是一种碱性阳离子染料,早于1924年已用于评价液相吸附性能[6]。
图1 亚甲基兰分子结构式
2实验方法及步骤
2.1实验材料与仪器
亚甲基兰贮备液:
称取1.0g亚甲基兰,溶于水并定容于1000mL容量瓶中,配成1g/L的亚甲基兰标准贮备液。
1mg/L亚甲基兰溶液:
取1mL1g/L的亚甲基兰标准贮备液定容于1000mL容量瓶。
其余不同浓度的亚甲基兰溶液配制方法相同。
pH=2的亚甲基兰溶液:
取要求浓度所对应体积的1g/L的亚甲基兰标准贮备液于1000mL容量瓶,加水至刻度线以下。
用HNO3和NaOH调节pH值,酸度计测得相应的pH值,直至pH=2(误差为±0.05),加少量水至刻度线。
60与100目的生物吸附剂:
将米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生研磨后分别过筛60和100目。
然后放入烘箱中,在105℃下烘2到2.5个小时。
实验仪器:
SHA-C水浴恒温振荡器、UNICO-7200分光光度仪、pHS-3C精密pH计、BS224S电子天平、电热恒温干燥箱、容量瓶、锥形瓶、比色管、比色皿。
2.2实验方法
2.2.1标准曲线的绘制
分别取浓度为1mg/L、2mg/L、3mg/L、4mg/L、5mg/L、6mg/L、7mg/L、8mg/L的上述亚甲基兰标准贮备溶液于25mL比色管中。
待溶液静置5min,将亚甲基兰溶液置于10mm比色皿中,于663nm波长,以水为参比,测定吸光度。
实验数据见表1。
表1标准曲线亚甲基兰溶液浓度和吸光度
亚甲基兰溶液浓度(mg/L)
吸光度
1.0
0.101
2.0
0.209
3.0
0.311
4.0
0.437
5.0
0.522
6.0
0.627
7.0
0.728
8.0
0.838
图2亚甲基兰溶液标准曲线
图2为亚甲基兰溶液的标准曲线,其数学表达式:
(1)
其中:
x为被测亚甲基兰溶液的浓度(mg·L-1);y为测得的吸光度。
根据标准曲线及测得的吸光度即可在下面的实验中计算出溶液中亚甲基兰的浓度。
2.2.2数据处理
单位质量生物吸附剂(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生)的吸附量:
(2)
式中:
Co为吸附前亚甲基兰溶液的原始浓度(mg/L);
Ce吸附平衡后溶液中亚甲基兰溶液的浓度(mg/L);
V为亚甲基兰溶液的体积(L);
m为加入的生物吸附剂(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生)的质量(g)。
3结果与讨论
3.1溶液pH对吸附的影响
取80mg/L,pH为2、3、4、5、6、7、8、9、10的亚甲基兰溶液各50mL于小锥形瓶中,加入0.25g吸附剂(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生,60目),在20℃的水浴中振荡2小时,离心(5min),测吸光度。
由所得的实验数据在origin软件中作图,得图3。
图3不同pH对吸附的影响
根据表2数据及图3分析可知,五种不同的吸附剂,米糠、麦麸、紫菜、海带和水花生,在pH<5时,pH对吸附的影响较大,随着pH的增大吸附量增张幅度较大;当pH≥5时,pH的增大对吸附的影响减小,吸附量缓慢增加或基本相似。
这是由于低pH值时,染料分子较少电离[7],溶液中存在大量的H+与亚甲基兰竞争吸附剂表面的吸附点位。
当pH逐渐升高时,溶液中的H+逐渐减少,与亚甲基兰的竞争能力减弱,且亚甲基兰电离增强[7],溶液中产生更多的一价有机阳离子的季胺盐离子基团MB+[8],所以亚甲基兰获得吸附点位的几率升高,提高了各吸附剂对亚甲基兰的吸附率。
综合考虑,最佳pH选择为5。
从所得的数据中还可知,海带、米糠、水花生吸附的效果好于紫菜和麦麸。
3.2动力学研究
3.2.1时间对吸附的影响
取80mg/L,pH=5的亚甲基兰溶液150mL于锥形瓶中,加入0.75g吸附剂(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生,60目和100目),分别在20摄氏度水浴振荡器中振荡2min、5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、90min、120min、180min直至所测得的吸光度稳定。
根据实验数据,绘制qt-t曲线图,如图4、5所示。
由图可知,随着吸附时间的增加单位吸附量逐渐增加,反应前100min内吸附量呈现上升趋势。
之后,随着接触时间的延长,吸附量出现缓慢上升,逐渐趋于平衡。
为确保充分吸附,本实验中吸附时间均选为2小时。
本组实验对粗细生物吸附剂(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生,60目和100目)吸附进行对比。
经过作图分析比较,粗细粒径都能在2小时达到吸附平衡。
分析实验数据可知,粒径为60目的米糠、海带和水花生吸附量大于粒径100目的吸附量,而麦麸、紫菜反之。
图4不同时间对吸附的影响
(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生,60目)
图5不同时间对吸附的影响
(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生,100目)
3.2.2准二级动力学模型及其分析
准二级动力学模型可表达为:
(3)
式中:
qt为不同时间下的单位吸附量(mg/g);
qe为平衡状态下的单位吸附量(mg/g);
k2为反应速率常数(mg/g·min)。
根据上式对t/qt-t作图,如图6所示。
所得参数见表2。
图6准二级动力学模型
(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生,60目)
表2准二级动力学模型参数
吸附剂(60目)
R
k2(mg/g·min)
qe(mg/g)
米糠
1
0.3413
14.8478
麦麸
0.9999
0.0199
12.4922
海带
1
0.2393
15.3492
紫菜
0.9998
0.0273
13.1113
水花生
0.9999
0.0384
14.1543
表2中数据显示,准二级动力学模型拟合所得的相关性系数均达到0.999以上,可见米糠、麦麸、紫菜、海带和水花生对亚甲基兰的吸附过程能够很好的遵循准二级动力学模型。
利用动力学模型拟合所得直线的斜率和截距可求得准二级动力学模型的速率常数k2及平衡时的吸附量qe,比较表2中列出的k2,可以看出,不同的吸附剂对亚甲基兰的吸附速率不相同:
米糠>海带>水花生>紫菜>麦麸。
而吸附达到平衡时各吸附剂的吸附量也不尽相同:
海带>米糠>水花生>紫菜>麦麸。
3.3吸附剂量对吸附的影响
取80mg/L,pH=5的亚甲基兰标准溶液50mL于7个250mL锥形瓶中,分别加入0.25g/L、0.5g/L、1g/L、2g/L、3g/L、4g/L、5g/L的生物吸附剂(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生,60目),在20摄氏度下振荡2小时。
取出离心并测定吸光度。
用吸附剂量m-qe-η作双坐标图,如图7所示。
去除率可表达为:
(4)
从图可以看出,吸附剂量增加,吸附总量增加,但是单位质量的吸附量减小。
这是因为吸附剂增加,但染料的浓度不变,染料分子与吸附剂接触的机率减小,所以单位吸附量减小。
所以,增加吸附剂的量,虽然吸附效率降低,但可以促进各吸附剂对亚甲基兰的吸附,去除率增加。
图7吸附剂量的改变对吸附的影响
(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生,60目)
3.4溶液初始浓度对吸附的影响
取pH=5,浓度为40、80、120、160、200、240、280、340mg/L的亚甲基兰溶液各50mL,分别加入0.25g吸附剂(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生,60目),在20摄氏度下振荡2小时。
取出离心并测定吸光度。
用初始浓度Co-qe-η作双坐标图,如图8所示。
从图中可看出随溶液初始浓度增加,五种吸附剂对亚甲基兰的吸附能力显著增强,但是图中也反映出随浓度的升高,这五种吸附剂对亚甲基兰的去除效率降低。
初始浓度为克服液相与固相之间的传质阻力提供了重要的推动力,因此亚甲基兰溶液的初始浓度升高有利于提高吸附剂的吸附能力。
在低浓度条件下,溶液中几乎所有的亚甲基兰都能够与吸附剂的吸附点位相接触,因此其吸附百分率高于初始浓度较高的溶液。
浓度高时,去除效率明显降低,这是因为对于固定量的吸附剂而言,其上吸附点位是一定的,浓度高时吸附点位已基本饱和。
当浓度达到一定值时,吸附剂对亚甲基兰的吸附能力将维持恒定,所以在应用中需选择合适的浓度。
同样的步骤改用粒径为100目的米糠、麦麸、紫菜、海带和水花生作为吸附剂,能够得到相同的趋势。
并且验证了在时间部分得出的结论:
粒径为60目的米糠、海带和水花生吸附量大于粒径100目的吸附量,而麦麸、紫菜反之。
细粒径吸附量大可能是由于其比表面积大,与吸附剂接触点位多,而粗粒径吸附量大可能是因为吸附剂表面孔较大,扩散较快。
图8初始浓度的改变对吸附的影响
(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生,60目)
3.5Langmuir与Freundlich吸附等温方程
Langmuir吸附等温方程为:
(5)
上式经转化变形可得:
(6)
其中:
Ce为吸附平衡时溶液浓度(mg/L);
qm为单位表面达到饱和吸附时的最大吸附量(mg/g);
qe为吸附平衡时染料分子被吸附量(mg/g);
b为Langmuir常数(L/mg)。
以Ce/qe为纵坐标,Ce为横坐标作图,如图9。
由作图所得直线的斜率与截距可求出qm和b,所得参数如表4。
qm反映了米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生这五种吸附剂达到吸附平衡时最大的吸附量,由表中数据可知,平衡时最大吸附量由大到小为:
水花生152.9052mg/g,海带137.3626mg/g,紫菜71.9425mg/g,米糠54.7046mg/g,麦麸16.1969mg/g。
b是评估吸附剂性能的一个重要因素,反映了低浓度下吸附剂效果。
平衡参数RL是朗缪尔吸附等温线的一个重要性质。
表示如下:
(7)
表3不同RL值所对应得等温线类型[9]
RL值
等温线类型
RL>1
吸附剂吸附性能不好
RL=1
线性分配
0<RL<1
吸附剂吸附性能好
RL=0
非线性分配,不可逆
用RL-Co作散点图,如图10所示。
求得RL值在0-1之间,根据表3可知粒径为60目的米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生这五种吸附剂吸附性能好。
图9Langmuir拟合曲线
表4Langmuir拟合下所对应的参数
吸附剂(60目)
R
b(L/mg)
qm(mg/g)
米糠
0.9995
0.0632
54.7046
麦麸
0.9975
0.1034
16.1969
海带
0.8375
0.0280
137.3626
紫菜
0.8136
0.0121
71.9425
水花生
0.9694
0.0398
152.9052
图10RL-Co关系图
Freundlich经验式为:
(8)
上式经转化变形可得:
(9)
其中:
Ce为吸附平衡时溶液浓度(mg/L);
qe为吸附平衡时染料分子被吸附量(mg/g);
kf为与吸附能力有关的经验常数,是Ce=1时的吸附量。
n为与吸附强度有关的经验常数。
lgCe-lgqe作图得一直线,如图11,所得参数如表5。
1/n为斜率,表示吸附量随浓度增长的强度,lgkf为截距,大致表示吸附能力的强弱[10]。
从表中数据可以看出,比较1/n,由大到小依次为水花生、海带、紫菜、米糠、麦麸。
由kf可知,水花生的吸附能力较强,米糠、麦麸、海带、紫菜次之。
图11Freundlich拟合曲线
表5Freundlich拟合下所对应的参数
吸附剂(60目)
R
1/n
kf
米糠
0.9676
0.4939
5.9819
麦麸
0.8425
0.2349
4.7668
海带
0.9759
0.7899
4.6682
紫菜
0.9726
0.6397
2.0988
水花生
0.9934
0.8179
6.4839
比较Langmuir和Freundlich等温线相关性系数R,可以清楚的看出,米糠和麦麸的吸附过程更好的遵循Langmuir等温方程,而海带、紫菜、水花生的吸附过程更好的遵循Freundlich等温方程。
尽管Langumir吸附等温式的线性形式对实验数据拟合的相关系数也较高,但线性方程的相关系数并不能说明变量qe和Ce之间的相关关系,Harter的研究结果表明,用Langmuir等温式的线性形式对实验数据进行描述,若吸附曲线的类型不对或仅有低浓度时的吸附数据,则对参数qm(吸附剂最大单位吸附量)值的预测误差会达到50%或更高。
因此,应利用Freundlich方程的曲线形式对实验数据进行拟合[11]。
3.6离子强度对吸附的影响
取pH=5,浓度为40、80、120、160、200、240、280、340mg/L的亚甲基兰溶液各50ml,分别加入0.25g吸附剂(米糠、麦麸、紫菜、海带及水花生,60目)和0.05mol/L、0.1mol/L、0.5mol/L的NaCl,在20℃下振荡2小时。
取出离心并测定吸光度。
以没有离子干扰的实验数据为参比,根据实验数据qe-Ce作图,如图12所示。
米糠、紫菜、海带和水花生四条曲线随干扰离子浓度增大影响较明显,麦麸的曲线虽有交错,但从图形仍可判断出NaCl对其吸附的影响。
随着加入的NaCl的量越多,这五种吸附剂的单位吸附量越小。
这主要是因为随着溶液中Na+浓度的增加,Na+与亚甲基兰争夺吸附点,使得亚甲基兰与吸附剂表面接触的机率减小,导致吸附剂的单位吸附量下降。
图12NaCl对吸附过程的干扰
结论
由米糠、麦麸、海带、紫菜和水花生对亚甲基兰吸附实验可得以下结论:
(1)米糠、麦麸、海带、紫菜和水花生五种生物吸附剂能够较好的去除亚甲基兰染料。
(2)吸附剂对亚甲基兰的吸附量随pH值升高而增大,当pH大于5时,吸附量趋于平衡。
(3)米糠、麦麸、紫菜、海带和水花生对亚甲基兰的吸附过程能够很好的遵循准二级动力学模型。
(4)吸附剂的浓度改变与亚甲基兰浓度的改变对亚甲基兰的吸附量有影响:
吸附剂浓度增大,单位吸附量减少;亚甲基兰浓度增大,有利于提高吸附剂的吸附作用。
(5)有干扰离子共存时,由于竞争作用,吸附量随离子浓度的增大明显减少。
致谢
本次实验和论文的完成得到王学松老师精心指导,同时也得到许多同学的关心和帮助,在此我表示真诚的谢意!
参考文献
[1]郑书忠.水处理药剂及应用.北京:
中国石化出版社,2002.
[2]冯秀娟,王洪昌,吴淼.新型吸附剂的制备及其对亚甲基兰染料吸附行为的研究.南方冶金学院学报,2005,26(6):
50-54.
[3]尤近仁.印染废水治理中的若干问题.印染,2004,8:
23-25.
[4]张力平,刘建.改性木屑对碱性染料吸附性能的初步研究.北京:
北京林业大学材料科学与技术学院,2004.
[5]栾文楼,李明路.膨润土的开发应用.北京:
地质出版社,1998,33-35.
[6]PenethF,RaduA.Uberdieadsorptionvonfarbstoffenandiamante,KohleundKunstseide.BerDtschChemGes,1924,1357:
1221-1225.
[7]李家珍.染料、染色工业废水处理.北京:
化学工业出版社,1997.
[8]赵小蓉,杜冬云,陆晓华.累托石对亚甲基兰吸附性能的研究.离子交换与吸附,2003,
19(4):
337-342.
[9]RaoMM,RameshA,RaoGPC,SeshaiahK.RemovalofcopperandcadmiumfromtheaqueoussolutionsbyactivatedcarbonderivedfromCeibapentandrahulls.JournalofHazardousMaterials,2006,129:
123-129.
[10]戴树桂,环境化学.北京:
高等教育出版社,1996.
[11]杨岳平,徐新华,刘传富.废水处理工程及实例分析.北京:
化学工业出版社,2003.
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