芭蕉芋渣对亚甲基蓝的动态吸附研究

1、第 27卷第 1期2011年 1月 福建师范大学学报 (自然科学版 Jo ur nal of F ujian N or mal U niver sity (Nat ur al Science Edition V ol. 27 N o. 1Jan. 2011文章编号 :1000-5277(2011 01-0067-05芭蕉芋渣对亚甲基蓝的动态吸附研究卢玉栋 , 叶琳 , 吴宗华 , 林筱璇(福建师范大学化学与材料学院 , 福建 福州 350108摘要 :利用芭蕉芋渣填料柱对水 中亚甲基蓝 (M B 进行动态吸 附 . 探讨了初始质量浓度、 床层高度、 pH 值等因素对穿透曲线的影响 , 运用数学

2、模型对在不同层高和质量浓度下的吸附数据进行拟合 . 结果表明 , 芭 蕉芋渣能有效去除水中的亚甲基蓝 , 随着床层高度的 增高、 pH 的增大和初始质量浓度的减小 , 芭蕉芋渣 填 料柱对水中亚甲基蓝的吸附穿透曲线位点向 右移 . 通过数学模型得到的速率常数、相关系数、 平衡吸附量和 动力学参数 , 能较好地描述芭蕉芋渣填料柱吸附亚甲 基蓝的吸附动力学 .关键词 :芭蕉芋渣 ; 亚甲基蓝 ; 动态吸附 ; 穿透曲线 ; 数学模型中图分类号 :T Q 424文献标识码 :A收稿日期 :2010-09-07基金项目 :福建师范大学横向项目 (DH-585 ; 福建师范大学本科生课外科技计划项目 (

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印染废水由于具有水量大、有机物含量高、色度深、碱性大、水质变化频繁等特点 , 是目前最难 处理的工业废水之一 1. 吸附法是处理印染废水的主要方法之一 . 活性炭等吸附剂可以有效去除废水中

8、的活性、碱性、偶氮染料等 , 但存在再生困难 , 成本高等问题 . 近年来来源广、性价比高的生物质吸 附材料引起国内外研究者的关注 , 他们对甘蔗渣 2、 工业大麻杆芯 3、 玉米芯 4、 糠醛渣 5等进行了大 量的研究 .芭蕉芋又称蕉藕和姜芋 , 是我国东南地区的主要农作物 . 芭蕉芋中淀粉含量约为 30%, 是加工淀 粉和变性淀粉的优良原料 . 芭蕉芋用于加工淀粉后产生了大量残渣 , 目前除少量用于饲料、 发酵外 , 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对染料的吸附容量大 , 可替代活性炭等用于染料废水的深度处理 . 通过吸附塔 (罐 的动态吸附是吸附法处理废水的主要

9、工艺 . 为了进一步考察 芭蕉芋渣吸附染料亚甲基蓝 (MB 的性能 , 本文研究了染料质量浓度、 吸附时间等因素对动态吸附效 果的影响 .1实验部分1. 1试剂与仪器芭蕉芋渣由福建省永泰县蕉芋粉加工厂提供 , 将其烘干 , 粉碎至 30120目备用 ; 亚甲基蓝 , 分析 纯 , 国药集团化学试剂有限公司 .HY -2调速多用振荡器 (国华电器有限公司 ; 201型超级恒温器 (上海实验仪器厂有限公司 ; 标 准检验筛 (上虞市宏兴仪器厂 ; 722型紫外 -可见分光光度计 (上海光学仪器五厂 .1. 2实验方法填料柱是内径为 1. 5cm 、长为 35cm 的冷凝管 , 冷凝管内管底部铺一小

10、块纱布作为承托层 ; 冷凝 管顶部放置容量为 125mL 的分液漏斗 , 用于调节亚甲基蓝溶液的流速 ; 通过恒温器提供的恒温水控制 和保持填料柱温度 . 在设计时间点取样 , 将 MB 溶液稀释后 , 用 722型紫外 -可见分光光度计测定 665nm 处的吸光度 , 根据标准曲线计算其质量浓度 .2结果与讨论2. 1固定床高度对芭蕉芋渣动态吸附 MB 的影响穿透曲线是评价固定床吸附过程的主要方法之一 . 穿透曲线的穿透点取固定床出水中吸附质的质量浓度超过相关限制标准或为初始质量浓度的某一值 (常取 0. 10或 0. 5 0 时的点 7-9, 本研究中取t / 0=0. 5时为穿透点 .

11、在 MB 溶液初始质量浓度为 92mg /L , 流速为 2mL /m in , 温度为 15的条件下 , 分别测定了固定 床高度分别为 1. 5, 3. 0, 4. 5cm 时芭蕉芋渣吸附 MB 的穿透曲线 , 结果如图 1所示 .图 1床层高度对芭蕉芋渣 动态吸附 MB 的影响由图 1可知 , 随高度的增加 , 穿透曲线上的穿透点向右移 , 当高度由 1. 5cm 增加到 3cm 时 , 穿透点由 150min 升高至 250m in, 当高度由3cm 增加到 4. 5cm 时 , 穿透点由 250min 升高至 310min . 这主要是随填料层高度的增加 , 亚甲基蓝在填料柱内的吸附位

12、点和停留时间增加 ,从而增加了传质带的距离 , 有利于吸附质的吸附去除 . 因此增加填料床的高度 , 能使填料柱的穿透时间增加 , 处理亚甲基蓝溶液的能力也增强 .2. 2初始质量浓度对芭蕉芋渣动态吸附 MB 的影响在填料柱 15 , 填料床高度 3cm, 流速为 2mL/m in 的条件下 , 分图 2亚甲基蓝起始质量浓度 对 芭蕉芋渣动态吸附 MB 的影响 别测定了亚甲基蓝初始质量浓度为 92, 500, 1000mg /L 时的穿透曲线 ,结果如图 2所示 .由图 2可知 , 随 M B 初始质量浓度的增大 , 穿透曲线上的穿透点向左移且穿透曲线变陡峭 , 当 M B 初始质量浓度由 9

13、2mg /L 增加到 500mg /L 时 , 穿透时间由 250min 减至 50m in , 填料柱的穿透时间明显缩短 . 这是由于随着 MB 初始质量浓度的增大 , 亚甲基蓝传质驱动力增大 ,更多吸附位点被亚甲基蓝分子所覆盖 , 导致吸附带长度减少 . 当 M B 初始质量浓度进一步增加至 1000mg /L 时 , 穿透时间由 50min 减至 30min , 穿透时间的变化显著减小 . 通过计算可知 , 芭蕉芋渣在穿透点分 m 的 M M B M B 68福 建 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 2011年增大而增大 .2. 3初始 pH 对芭蕉芋渣动态吸附 MB的影响

14、图 3 MB 溶液的 pH 对芭蕉芋渣动态吸附的影响 在填料柱 15 , 填料床高度 3cm, 流速为 2mL/m in 的条件下 , 分别测定了 M B 溶液的 pH 值分别为 4. 8, 6. 8和 8. 8时的穿透曲线 , 结果如图 3所示 .由图 3可知 , 随 MB 的初始 pH 的增大 , 穿透曲线上的穿透点先向右移且穿透曲线变平缓 , MB 溶液的 pH 由 4. 8增加到 6. 8时 , 穿透时间由 200min 增至 250min, 填料柱的穿透时间增长 ; 当 MB 溶液的 pH 由6. 8增加到 8. 8时 , 穿透时间由 250m in 增至 320min , 填料柱的

15、穿透时间明显增长 . 这主要是由于芭蕉芋渣的主要成分是纤维素、 木质素、 半 纤维素 , 带有大量的羧基基团 , 随着 M B 溶液的 pH 值增加 , 芭蕉芋渣表面的羧基基团电离出 H +越多 , 所带负电荷越强 , 更有利于阳离子染料 M B 的吸附 . 因此增加 MB 的 初始 pH , 能使填料柱的穿透时间增加 , 处理亚甲基蓝溶液的能力也增强 .2. 4固定床工艺参数数学模拟7, 10由于在填料柱吸附工艺中吸附是非平衡的 , 且填料柱中吸附剂吸附能力并未完全耗尽等问题的存 在 , 在静态吸附实验过程中取得吸附等温方程并不能准确描述动态的填料柱吸附过程 . 因此 , 有必要 对填料柱的

16、动态吸附过程建立数学模型 , 对芭蕉芋渣填料柱吸附 MB 的工艺参数进行数学模拟 .在填料柱吸附 M B 的过程中 , 假设被芭蕉芋渣吸附的 M B 占总 M B 的质量分数为 (A , 吸附流出液 中 M B 占总 M B 的质量分数为 (B , 则 M B 吸附速率与 的关系可表示为 : d (A /d t =k (A (B ,(1 式中 k 是吸附穿透曲线系数 ; (B =1- (A ; 当 t =t i 时 , (A = (A i , 由式 (1 积分得ln (A (1- (A i / (A i (1- (A i =k (t i /t ,(2 则转化为 ln (B i (1- (B i

17、 / (B (1- (B i =k (t i -t .(3 假设 M B 的吸附率为 0. 5, 此时吸附时间 t i 设为 x , 式 (3 可换算成t =x +ln (B /(1- (B /k . (4 设 (B = / 0, 其中 是吸附流出液中 M B 的质量浓度 , 0是 M B 的初始质量浓度 . 根据 (4 , 用 t 对 ln /( 0- 作直线 , 斜率和截距分别为 1/k 和 x , 因此 , 式 (4 是建立在填料柱吸附 M B 发生 0. 5穿透的吸附时间为 x 的假定基础上推导出来的 , 芭蕉芋渣吸附达饱和的时间为 2x , 故芭蕉芋渣吸附在 填料柱半透吸附时间 x

18、时吸附 MB 的质量 :m = 0F x ,(5 式中 m 是芭蕉芋渣在 MB 质量浓度为 0, 流速 F =2mL/min 和 0. 5穿透时间 x 时吸附 M B 的质量 . 2. 4. 1 层高对芭蕉芋渣吸附 M B 的影响的数学模型图 4所示为不同填料床高度下芭蕉芋渣吸附 MB 的 ln /( 0- 与吸附时间 t 的线性关系 . 由图 4可以看出 , 不同床高下芭蕉芋渣吸附时间对 ln /( 0- 线性关系良好 , 1. 5与 3cm 的 相关系数分别达到了 0. 9774与 0. 9892, 所得到的斜率和截距及填料柱在亚甲基蓝达到 0. 5穿透点时 的 M B 吸附量 (m 见表

19、 1.表 1芭蕉芋渣填料柱吸附 MB 数学模拟参数参数k -1/min x /min R 2m /mg 层高 /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根据所得参数对 M B 吸附穿透曲线实验数据

20、进行模拟 , 结果如图 5所示 . 由图 5可以看出该模型能很好地模拟不同填料床高度下芭蕉芋渣动态吸附 M B 溶液的过程 .图 4不同层高下芭蕉芋渣 对 MB 的吸附模型 图 5不同层高下芭 蕉芋渣对 MB 吸附的 模拟值和实测值的比较2. 4. 2质量浓度对芭蕉芋渣吸附 M B 的影响的数学模型图 6为芭蕉芋渣吸附不同初始质量浓度的 MB 的 ln /( 0- 与吸附时间 t 的线性关系 .图 6不同初始质量浓度下 芭蕉芋渣对 MB 的吸附模型 图 7不同初始质量浓度下芭蕉芋渣对 MB 吸附的模拟值与实测值的比 较图 6可以看出 , 不同初始质量浓度下芭蕉芋渣吸附 M B 溶液的 ln /

21、( 0- 与 t 的线性关系较 好 , 92与 500mg /L 的相关系数分别为 0. 9892与 0. 9665. 所得到的斜率和截距及填料柱在 M B 达到 0. 5穿透点时的 M B 吸附量见表 1. 根据所得参数对 M B 吸附穿透曲线实验数据进行模拟 , 结果见图 7. 由图 7可以看出该模型能很好地模拟不同初始质量浓度下芭蕉芋渣动态吸附 M B 溶液的过程 .2. 4. 3 pH 对芭蕉芋渣吸附 MB 的影响的数学模型图 8为芭蕉芋渣吸附不同初始 pH 的 MB 的 ln /( 0- 与吸附时间 t 的线性关系 . 图 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- 与 t 的线性关系较好 , pH 为 4. 8与 8. 8的 相关系数分别为 0. 9853与 0. 9875. 所得到的斜率和截距及填料柱在亚甲基蓝达到 0. 5穿透点时的 M B 吸附量见表 1. 根据所得参数对 M B 吸附穿透曲线实验数据进行模拟 , 结果见图 9. 由图 9可看出该模型能很好地模拟不同初始 pH 下芭蕉芋渣动态吸附亚甲基蓝溶液的过程 .图 8不同初始 pH 下 芭蕉芋渣对 MB 的吸附模型 图 9不同 初始 pH 下芭蕉芋渣对 MB 吸附的模拟值与实测值的比较3结论(1 芭蕉芋渣能有效去除水中的亚甲基蓝 , 随着床层高度的增高、 pH 的增大和

23、质量浓度的减小 , 芭蕉芋渣填料柱对水中亚甲基蓝的吸附穿透曲线位点向右移 .(2 通过数学模型计算得到的速率常数、相关系数、平衡吸附量和动力学参数 , 能较好地描述芭 蕉芋渣填料柱吸附亚甲基蓝的吸附动力学 .(3 芭蕉芋渣填料柱对亚甲基蓝进行动态吸附 , 最佳床层高度为 4. 5cm , 质量浓度为 1000mg /L. 参考文献 :1冯凯 , 邱木清 . 生物 法处理染料废水的研究与进展 J . 工业水处理 , 2009, 29(2 :19-21.2魏胜华 , 王瑾 , 朱龙宝 . 改性甘蔗渣吸附水溶液中酸性染料的研究 J .安徽农业科学 , 2009, 37(11 :5078-5080.3

24、连惠山 , 朱小平 , 陈国华 . 工 业大麻杆芯粉对亚甲基蓝染料的吸附性能 J.华侨大学学报 :自然科学版 , 2009, 30(4 :406-411.4许 茂东 , 吴之传 , 张勇 , 等 . 玉米芯对活性艳红 K -2BP 染料的吸附性能及动力学研究 J .安徽工程科技学院学报 :自 然科学版 , 2009, 24(1 :25-28.5任广军 , 高晓荣 . 糠 醛渣对亚甲基蓝的吸附性能研究 J. 沈阳理工大学学报 , 2009, 28(3 :62-65.6K lanar ong Sr ir ot h , K uakoo n P iy acho mkwa n , 金树人 , 等 . 芭蕉芋淀粉的性质、加工与利用 J .淀粉与淀粉糖 , 2009, 3:29-36.7王俊 , 吴福安 , 杨克迪 , 等 . 树脂吸 附法分离纯化桑叶总黄酮 ( 动态法分离桑叶总黄酮的工艺条件及数学模拟 J. 离子交换与吸附 , 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