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活性碳/CoFe2o4复合物的制备及其对亚甲基蓝的吸附性能

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第27卷第6期 应用化学 V01.27 No.6 2010年6月 CHINESE J0URNAL 0F APPLIED CHEMISTRY June 2010 活性碳/CoFe204复合物的制备 及其对亚甲基蓝的吸附性能 艾伦弘 蒋 静唐 娟 (室西华师范大学化学化工学院,化学应用与污染控制技术四川省重点实验南充637002) 摘要通过低温回流法制备了具有磁分离响应的活性碳(AC)与CoFe:O 的复合物AC/CoFe2O (MAC)。 采用批式吸附实验法对MAC吸附溶液中偶氮染料亚甲基蓝(MB)的吸附动力学过程及吸附平衡进行了研 究,考察了溶液初始pH值对MAC吸附MB的影响。结果表明,MAC吸附MB的过程很快,20 arin几乎达到平 衡。MAC吸附MB过程呵以用准 二级动力学方程描述。等温吸附过程服从Langmuir方程,MAC对MB的饱 和吸附容量为120.48 mg/g。在较低pH值时,MB吸附量较小。随着pH值的升高,MAC对MB的吸附量增 大。 关键词活性碳,CoFe,O ,吸附, 甲基蓝 中图分类号:O641.2 文献标识码:A 文章编号:10(X)0-518(2010)06-0710-06 D0I:10.3724/SP.J.1 095.2010.90480 工业上常用的染料废水处理方法有絮凝沉淀法、电化学法、吸附法、电解、化学氧化、生物处理方法 及多种方法的联用等…,吸附法用于处理工业废水效果显著。常用的吸附剂有活性碳(AC)、水滑石、硅 藻土、膨润土、沸石、分子筛、有机吸附剂等 。其中,活性碳因具有很大的比表面积、无毒、价格低廉 和良好的吸附性能而被广泛采用 。但是在应用中存在分离困难的问题,传统的过滤法容易引起筛 网堵塞或活性碳的流失,而磁分离则是一种简单高效的分离方法。将磁性物质与粉末活性碳复合在一 起制成磁性活性碳,既可解决粉末活性碳的分离问题又能解决磁性物质吸附容量小的问题。 近年来,磁性复合吸附材料的制备及在去除环境污染物方面的应用成为研究的热点。Oliveira 等¨ 用活性碳/铁氧化物复合材料作为吸附剂,研究了其对挥发性有机物如氯仿、苯酚、氯苯的去除效 果表明,磁性铁氧化物的引入并未影响复合材料的吸附容量;Castro等… 通过批式吸附实验研究了活 性碳/铁氧化物复合材料对水中除草剂莠去津的等温吸附过程;张高生等 用共沉淀法制备活性碳/铁 氧化物磁性复合吸附材料,研究了磁性复合材料吸附去除水中偶氮染料酸性橙Ⅱ的动力学和等温线。 本文利用低温回流法合成了活性碳与CoFe O 复合物AC/CoFe O (MAC),通过批式吸附实验方法,研 究了其对水溶液中亚甲基蓝的等温吸附特性及吸附动力学过程。 1实验部分 1.1试剂和仪器 Co(NO。) -6H O、Fe(NO ) ·9H:O、NaOH、亚甲基蓝(MB)均为分析纯试剂,使用前未经进一步的 纯化。粉末活性碳AC,比表面积909 m /g,平均粒径200 lllm(分析纯)。¥4800型扫描电子显微镜(日 本Hitachi公司);UV-2550型紫外一可见分光光度计(日本Shimadzu公司);Gemini 2370型比表面测定仪 (美国Micromeritics公司);7404型振动样品磁强计(美国Lakeshore公司);JS94H型微电泳仪(上海中 晨数字技术设备有限公司)。 1.2 AC/CoFe204(MAC)的制备 用低温回流法制备MAC。将3.7 g的AC加入150 mL含3.4 g NaOH的溶液中,室温搅拌30 min, 2009-07—17收稿,2009.11-06修回 西华师范大学科研启动基金资助项目(07B005) 通讯联系人:艾伦弘,女,硕士,讲师;E-mail:ah—aihong@163.con;研究方向:环境分析与材料化学 第6期 艾伦弘等:活性碳/coFezo 复合物的制备及其对亚甲基蓝的吸附性能 71 1 得到AC悬浊液。然后使悬浊液在100℃保持沸腾,将50 mL含5.4944 g Fe(NO,),·9H 0和1.9790 g Co(NO,) ·6H:O盐溶液迅速加入到上述沸腾的悬浊液中,保持100 qc回流2 h。将冷却后的溶液 进行磁分离、洗涤、60℃下烘干,即得MAC。反应式为: Fe(NO3)3·9H20+3NaOH Fe(OH)3+3NaNO3+9H,O Co(NO3)2·6H2O+2NaOH Co(OH)2+2NaNO3+6H2O 2Fe(OH)3+Co(OH)2 CoFe2O4+4H2O 1.3亚甲基蓝浓度标准曲线 配制一系列不同浓度的亚甲基蓝溶液,用分光光度法进行测定。MB溶液的最大吸收波长A = 666 nm。根据吸光度 与浓度c的关系,绘制标准曲线。得出A~C关系式A=0.00592c+0.1 126,相关 系数R =0.9995。由标准曲线求得溶液中MB的平衡质量浓度(mg/L)。 1.4批式吸附实验 1。4.1 动力学吸附取25.0 mL(初始质量浓度C。:100 m#L)亚甲基蓝溶液若干份,分别置于锥形瓶 中,再依次加入0.050 g MAC,初始pH=6.95,25℃恒温振荡,按照设定时间间隔取样,离心,测定上层 清液中MB的质量浓度,得出MAC对MB吸附的动力学曲线。 1.4.2吸附等温线将0.050 g MAC置于含25.0 mL不同初始浓度的亚甲基蓝溶液锥形瓶中,初始 pH=6.95,25 qC恒温振荡20 min,离心,测定上层清液中MB的质量浓度,求得MAC对MB吸附的吸附 等温线。 1.4.3 pH值影响将0.050 g MAC置于含25.0 mL(初始质量浓度C。=100 m#L)亚甲基蓝溶液锥形 瓶中,用0.010 mol/L HC1和0.010 mol/L NaOH溶液调节pH值为2~10范围内的指定值,25 cc恒温振 荡20 min,离心,测定上层清液中MB的质量浓度。 溶液中MB的质量浓度用分光光度计测量,吸附量和去除率可按下式计算: q_(c。 ) (1) r(%): ×100% (2) CO 式中,q为MAC对MB的吸附量(m#g),r为MAC对MB的去除率(%);c。为溶液中MB的初始质量浓 度(mg/L),Ce为MB吸附平衡质量浓度(mg/L),V为被吸附溶液体积(mL),m为MAC质量(g)。 2结果与讨论 2.1吸附剂表征 图1为CoFe:O 和MAC的红外光谱图。图1谱线a中的1630和3440 cm 处为吸附水分子的吸收 峰,前者为H一0一H的弯曲振动,后者为反对称 O—H的伸缩振动;在400~600 cm 范围可以观察 到594 cm ( )和425 cm ( :)2个明显的谱带, 其分别对应于CoFe O 晶格中八面体位和四面体位 的特征伸缩振动lj ,MAC与CoFe:O 的红外光谱图 基本相似;图1谱线b中1381和1536 cm 处为AC 含氧官能团的特征峰,分别对应于c—O和c—O的 伸缩振动¨ ,而在400~600 cm 范围内的CoFe2O 特征伸缩振动峰并未发生位移。表明CoFe O 与AC 以简单的物理沉积方式结合。 /cm一0 图1 CoFe O (a)和MAC(b)的红外光谱图 图2为AC与MAC的SEM照片。从图2口中可 Fig.1 IR spectra of CoFe2O4(a)and MAC(b) 以观察到,AC表面不规则,存在裂隙和微孔。与AC 7l2 第27卷 相比,MAC(图2b)呈现Ⅲ不同的的表面形貌,CoFe O 细小颗粒聚集往AC表面,粒径为l4~20 am。从 MAC的SEM照片还观察到,多孔的表面结构。AC与MAC的BEq’比表面积及总孑L体积列于表1。从 表1可知,MAC仍具有较大的比表而与总孔体积,结果保证了其良好的吸附性能。MAC的饱和磁化强 度为7.6 emu/g。在未加磁场的情况下,MAC均匀的悬浮于水中,而不发生分离现象,在外加磁场的作 用下,MAC向磁铁一端的瓶壁聚集,而发生分离。由此可见,所制备的MAC具有较好的磁分离响应行 为。 图2 AC(n)和MAC(b)的SEM照片 Fig.2 SEM micrographs of AC(n)and MAC(b) 表1 吸附剂的BET比表面、总子L体积和饱和磁化强度 Table 1 BET—surface area,total pore volume and saturation magnetization of adsorbents 2.2吸附动力学 pH值是影响吸附的一个很重要的条件。图3为pH值对MB吸附量的影响。从图中可以看出,在较 低pH值时,MB吸附量较小;随着pH值的升高,MAC对MB的吸附量增大。为了进一步研究MAC在不 同pH,值下的表面电荷状态,本文对MAC在水溶液中的Zeta电势进行了测定。从pH-Zeta电势关系可 知,MAC的零电荷电势pH(pH…)=6.5。在较低pH值时,MAC表面带正电,与溶液中亚甲基蓝阳离子 存在一定的静电斥力作用¨ ;随着pH值的升高,MAC的表面电荷发生变化,其表面的负电荷逐渐增 多。由于亚甲基蓝阳离子与MAC间存在的静电引力作用有助于MB吸附量的增大,结果与Bestani 等¨刮报道结果一致。 本文进行了动力学实验,确定了MAC吸附溶液中MB的速率,MAC对MB的吸附动力学如图4所 示。从图中可以看出,MAC对MB的吸附快速且完全,在5 min前MAC对MB的吸附速率非常大,吸附 量和去除率(r)均迅速上升,去除率几乎达99%;随时间的延长,吸附量和去除率上升缓慢,吸附20 min 左右基本达到平衡。这种现象可能是因为开始的吸附是一种表面作用,吸附速率较大,之后的慢吸附则 是MB向MAC的孔隙内部迁移、扩散,这一过程的速率较小。图4插图为吸附前和吸附后MB溶液颜色 变化情况。图中可见,吸附20 min后,蓝颜色几乎完全消失。 为了研究MAC对MB的吸附动力学特性和找到最合适描述此吸附过程动力学模型,选用准一级动 力学模型和准二级动力学模型对实验数据进行模拟。2种动力学模型公式为: 准一级动力学方程(Pseudo—first.order mode1) ” : 1g( -lg (3) 式中,q 和qt分别为平衡时与t时刻时MAC对MB的吸附量(mg/g),k。为准一级速率常数(min )。 准二级动力学方程(Pseudo.second.order mode1)¨ : 第6期 艾伦弘等:活性碳/coFezO 复合物的制备及其对亚甲基蓝的吸附性能 713 pH I ime/mIll 图3 pH值对MAC吸附MB的影响 图4 MAC对MB的吸附动力学曲线 Fig.3 Effect of solution pH on adsorption (插图为吸附前后的MB溶液的照片) capacity of MB onto MAC Fig.4 Adsorption kinetic eul'ves of MB onto MAC (Insets in the photosgraph of MB solutions before and after adsorption) : +上 (4) g k2q: q 一 式中,k:为准二级速率常数(g/(mg·min))。 按照上述2种模型进行拟合,从曲线的斜率和截距可以得到动力学参数(见表2)。表中结果表明, 准二级动力学模型能够较好的描述MAC对水溶液中MB的吸附动力学过程(具有较高的R 值),而且 准二级模型计算的g 与实验中得到的g 基本一致。从准一级动力学模型中计算的平衡吸附量(q )与 实验中得到的平衡吸附量(q )相差较远,这是因为一级模型作图前需要知道g 值,但实际吸附过程 中,真正达到平衡需要很长时间,因此不可能准确测得其平衡吸附量。结果表明,一级模型常常只适合 吸附初始阶段的动力学描述,与文献¨ 报道结果相似。 表2 MAC对MB吸附的动力学参数 Table 2 Kinetic parameters of MB adsorption by MAC 2.3吸附等温线 测定不同初始质量浓度达到平衡时的吸附量,以吸附量q (m g)对平衡质量浓度c (mg/L)作图, 得到吸附等温曲线(图5)。由图中可见,随着MB 平衡浓度的升高,AC和MAC的吸附量逐步升高且 趋于平缓。用吸附等温线确定MB在AC和MAC的 吸附容量,分别用 Langmuir方程 ∞ Freundlich 方程对实验数据进行拟合。 Langmuir方程: q 土kLq + q (5) 式中,q (mg/g)为理论饱和吸附容量,k (L/mg)为 Langmuir常数,与吸附能量有关。 C( 6)/(mg’L ) Freundlich方程: 图5 MB在AC(a)和MAC(b)上的吸附等温线 q =kfclFig.5 Adsorption isotherms of MB onto (6) 式中,Ii} 和n为Freundlich参数。 AC(a)and MAC(b) 714 应用化学 4 第27卷 5 6 7 8 9 m¨Langmuir方程和Freundlich方程拟合结果见表3。从表3可知,从Langmuir方程计算出AC和MAC 的理论最大吸附量分别为134.95和120.48 mg/g;Langmuir方程拟合的相关系数(尺 )分别为0.993和 0.999。上述结果与Freundlieh吸附模型相比,用Langmuir吸附模型能更好地描述MAC对MB的吸附行 为。 表3活性碳和MAC对MB吸附的Langmuir和Freundlich方程拟合参数 Table 3 Langmuir and Freundlich equation parameters of MB adsorbed onto AC and MAC 从l_angrnuir方程中,可以定义一个无量纲分离因子R . 来判断该吸附对污染物的去除是否有利。 R 被视为判断吸附能力更可信的一个因子,其计算公式为: (7) 式中, 为Langmuir常数(L/mg),CO为溶液初始质量浓度(mg/L)。R 在0~1范围的结果表明,该吸附 过程是有利于去除污染物的。在本实验条件下,MAC对MB吸附的R 为0.002—0.014(表3)。因此, 利用MAC有利于吸附MB。此外,Freundlich参数n介于1~10之间时的结果表明,其具有良好的吸附 性能 。表3中MAC的n=3.045也同样说明,MAC对MB具有良好的吸附性能。 参考文献 Gong J L,Wang B,Zeng G M,Yang C P,Niu C G,NiU Q Y,Zhou W J,Liang Y.J Hazard Mater[J],2009,164:1517 Yener J,Kopac T,Dogu G,Dogu T.Chem Eng J[J],2008,144:400 ZHU Mao-Xu(朱茂旭),WANG Zheng(王征),LI Yan—Ping(李艳苹),Yu Hong(于红).Environ Chem(环境化学) [J],2007,26:371 GU Zhi.Pan(谷志攀),HE Shao.Hua(何少华),ZHOU Yang(周炀),FAN Hai—Ming(樊海明),LIU Jing(刘静), SI Jian.Wei(司建伟).Water Sci Eng Technol(水科学与工程技术)[J],2009,1:23 Eren E,Afsin B.J Hazard Mater[J],2009,166:830 Juang L C,Wang C C,Lee C K.Chemosphere[J],2006,64:1920 San Miguel G,Lambert S D,Graham N.J Chem Technol Biotechnol[J],2006,81:1685 Walker G M,Weatherley L R.Chem Eng J[J J,2001,83:201 E1一Geundi M S.Water Res[J],1991,25:271 Oliveira L C A,Rios R V R A,Fabris J D,Garg V,Sapag K,Lago R M.Carbon[J],2002,4o:2177 Castro C S,Guerreiro M C,Goncalves M,Oliveira L C A,Anastacio A S.J Hazard Mater[J],2009,164:609 ZHANG Gao.Sheng(张高生),Qu Jiu—Hui(曲久辉),LIU 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Batch experiments were carried out to investigate the adsorpt 0n kmetics and equilibrium of methylene blue(MB)onto MACThe effect 0f initia1 DH va1ue on MB adsorbed ont0 MAC was evaluated·It was found that the adsorption of MB onto MAC was a very rapid pmcess. reachmg to the equilibrium within 20 rainThe pseudo—second—order rate equati0n could describe the d 。I1)t on ki“etics 0f the MB onto MACThe equilibrium data could be fitted we11 with the Langmuir equa 0 n‘ Fhe sa urated adsorption capacity obtained from the Langmuir equation was 1 2048 mg/g. At 1ower PH values,adsorption capacity of MAC for MB was smallwhereas it inereased with increasing pH valueKeywords activated carbon。 CoFe2 O4,ads0rpti0nmethy1ene blue 

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