全 文 ：2009 年 第 9 期 广 东 化 工
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蒲草根对阴离子染料刚果红的吸附及其
机理研究
王文静，陈慧，胡真虎
（合肥工业大学 土木与水利工程学院 市政工程系，安徽 合肥 230009）

[摘 要]文章探讨了水生植物废弃物蒲草根对阴离子染料刚果红的吸附及其作用机理。考察了蒲草根剂量、接触时间、颗粒粒径大小和环境
温度等因素对吸附的影响，并对吸附过程进行热力学和动力学分析。结果表明，蒲草根对刚果红染料的吸附是一个自发和散热的过程，并且该
过程符合 Langmuir 等温线方程(R2>0.98)，最高去除率达 98.4 %。
[关键词]蒲草根；刚果红；染料废水；吸附
[中图分类号]T [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2009)09-0013-02

Adsorption of Congo Red from Aqueous Solution onto Cattail Root

Wang Wenjing, Chen Hui, Hu Zhenhu
(Department of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract: A novel biosorbent cattail root was investigated for the removal of Congo Red from aqueous solution. The effect of adsorbent dosage, contact time,
and temperature on the Congo Red recmoval were investigated using batch adsorption technique. The results showed that the adsorption of Congo Red onto cattail
root was a spontaneous and exothermic process, and followed Langmuir isotherms (R2>0.98).
Keywords: cattail root；congo Red；dyes wastewater；adsorption

刚果红是一种的联苯胺类直接偶氮的阴离子染料，它在生
产和使用过程中流失率高，对环境的危害作用很大[1]。采用传
统的活性污泥法处理，效果很不理想，在厌氧条件下则可能生
成毒性更大的能产生致癌作用的芳香胺类物质[2]。
传统的染料废水的处理方法，如氧化、膜分离和活性炭吸
附等，在实际应用中，由于处理效果不理想或处理费用高等原
因而难以被广泛应用[1]。近年来，开发廉价的、可再生的生物
材料吸附剂处理染料废水引起了广泛的兴趣，一些非传统的、
廉价的吸附材料如香蕉皮、甘蔗芯等都被尝试应用于染料废水
的脱色，并取得了一定的效果[3]，但仍然需要开发一些更经济、
更易获得和高效的吸附剂。
近年来蒲草已被较广泛地应用于构建人工湿地，修复污染
的土壤和水体，而在此过程中产生大量的生物质如蒲草和蒲草
根，他们的处理则成为又一个难题[4]。研究表明，蒲草经厌氧
消化可生产沼气等生物质能源[4]。根据蒲草根具有多孔、比表
面积大和容易加工等特点，文章尝试选择阴离子染料刚果红为
代表，应用蒲草根进行吸附和去除，并对其吸附特征和机理进
行了探讨，以达废弃物资源化利用的目的。
1 实验部分
1.1 吸附剂和试剂
蒲草根从学校附近的池塘收集后，先用自来水冲洗掉附着
在上面的泥土，再用蒸馏水洗涤浸泡，烘干至恒重，然后粉碎
烘干过筛分成不同的粒径，放于干燥器中备用。
刚果红试剂购自上海试剂三厂，使用前未进行纯化处理。
先精确称量配制成 500 mg/L 的母液，并用 0.01 mol/L 的 HCl
和 NaOH 将 pH 调至 7.0±0.3，使用时再用去离子水稀释到需
要的浓度。近年来蒲草已被较广泛地应用于构建人工湿地，修
复污染的土壤和水体，而在此过程中产生大量的生物质如蒲草
和蒲草根，他们的处理则成为又一个难题[4]。研究表明，蒲草
经厌氧消化可生产沼气等生物质能源[4]。根据蒲草根具有多
孔、比表面积大和容易加工等特点，文章尝试选择阴离子染料
刚果红为代表，应用蒲草根进行吸附和去除，并对其吸附特征
和机理进
1.2 吸附试验和染料浓度测定
将准确称量的蒲草根置于 100 mL 的三角烧瓶中，加入了
50 mL 已知浓度的刚果红溶液，然后密封瓶口置于转速为了
140 r/min 的摇床上，在预先确定的时间间隔内取样，并以
12000 g/min 离心 10 min，取上清夜在 722 分光光度计(上海试
验仪器厂，上海)于其最大吸收波长 498 nm 下测定溶液的吸光
度，根据标准曲线计算溶液中染料浓度。染料的吸附量 q 的计
算公式为：

%100
)( 0 ×−=
W
VCCq t
(1)
其中：C0 为染料溶液的初始浓度(mg/L)，Ct 为吸附时间 t
时染料的浓度(mg/L)，W 为吸附剂蒲草根的剂量(g/L)，q 为单
位重量的蒲草根吸附的染料浓度(mg/g)，V 为废水体积(L)。
除特别注明外，试验溶液的刚果红溶液浓度为 50 mg/L，
初始 pH 为 7.0±0.3，蒲草根剂量为 5.0±0.10 g/L，温度为 20±1 ℃。
2 结果与讨论
2.1 吸附剂剂量和接触时间的影响
在刚果红浓度为 50 mg/L，环境温度为 20±1 ℃条件下，
研究不同蒲草根剂量(0.5，1.0，3.0，5.0，7.0 和 10.0 g/L)对溶
液中刚果红去除效率的影响。如图 1 所示，振荡吸附 24 h 后，
随着蒲草根剂量从 0.5 g/L 增加到 10.0 g/L，刚果红溶液的色
度去除率则从 14.4 %增加到 98.4 %。从图 1 还可以看到，在
吸附的最初 1 个小时内，刚果红溶液色度去除率增加很快，随
后增加的比例开始下降。根据吸附剂剂量的不同，达到吸附平
衡需要大约 1～6 h。
[收稿日期] 2009-06-04
[基金项目] 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07101-004-001)
[作者简介] 王文静(1979-)，女，安徽淮北人，硕士，助教，主要从事水处理技术方面的研究。
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0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440
20
40
60
80
100
脱色
率/
%
时间 /min
∆ 0.5；▲ 1.0；□ 3.0；■ 5.0；○ 7.0；● 10.0；
刚果红浓度50 mg/L，蒲草根(g/L)
图1 蒲草根剂量和接触时间对刚果红去除率的影响
Fig.1 Effect of cattail root dosage and contact time on the
removal of Congo Red
2.2 颗粒粒径的影响
吸附剂的颗粒粒径的大小是影响吸附效果的一个重要因
素，这里考察了 3 种不同粒径对不同浓度刚果红溶液脱色效果
的影响，如图 2 所示。随着颗粒粒径的增加，溶液的脱色率逐
渐下降，表明吸附到单位质量颗粒表面的染料随颗粒粒径的增
加而减小。同时还观察到另外一个现象，随着颗粒粒径的增加，
吸附达到平衡的时间也延长。这主要是由于颗粒粒径增大，吸
附剂和溶液直接接触的表面积减小，外表面吸附的染料的量降
低；而颗粒粒径的增大，也使染料在颗粒表面和内孔径之间扩
散的距离增加，因而达到吸附平衡需要更多的时间。
2.3 温度的影响
为了了解温度对蒲草根吸附刚果红染料行为的影响，考察
了 20、30 和 40 ℃三种不同温度条件下刚果红的去除率，如图
3 所示。在不同的染料浓度下，刚果红的去除率随着温度的增
加而下降，且不同温度条件下的吸附平衡时间都为 6 h，表明
达到吸附平衡的时间并不受温度变化的影响。而去除率的下降
则是因为温度增加使蒲草根表面的活性基团和阴离子染料之
间的吸附力减小，它们间的分子作用力也减弱[5]。

0 50 100 150 200 250
20
40
60
80
100
0 100 200 300 400
20
40
60
80
100
脱色
率/
%
刚果红浓度 /(mg·L-1)
a b
脱色
率/
%
刚果红浓度 /(mg·L-1)
(a)粒径(mm)：□0.15～0.18；○0.18～0.25；∆ 0.43～0.85；(b)温度：●20 ℃；○30 ℃；▲40 ℃
图 2 颗粒粒径和温度对刚果红溶液脱色率的影响
Fig.2 Effect of particle size and temperature on the removal of Congo Red

2.4 吸附热力学分析
对以上不同温度条件下的蒲草根的吸附行为进行了热力
学分析，求得标准自由能(∆G0)，标准焓(∆H0)，和标准熵(∆S0)
的变化[5]：
cKRTG ln
0 −=Δ (2)
R为气体常数(8.314 J/mol K)，T为绝对温度，Kc为吸附平
衡常数。Kc 的值可以从公式(3)求得：
e
s
c C
CK =
(3)
其中Cs是刚果红在吸附平衡时吸附到吸附剂上的浓度
(mg/L)，Ce是吸附平衡时留在溶液中的刚果红浓度(mg/L)。
∆H0 和 ∆S0 则 可 以 通 过 下 面 的 公 式 来 计 算 ：
RT
H
R
SK c
00
ln Δ−Δ=
(4)
表1列出不同温度下的∆G0，∆S0和∆H0。自由能的变化为
负值并随着温度的升高而增加，表明蒲草根对刚果红的吸附过
程是自发的；而吸附过程中焓呈现负值则表明该吸附是一个放
热的过程；熵为负值则表明随着温度的增加固液界面之间的无
序度增大[1-5]。
2.5 吸附等温线分析
进一步对不同温度条件下的吸附进行 Langmuir 吸附等温
线分析：
00
1
Q
C
bQq
C e
e
e +=
(5)
其中 Q0 是单位质量蒲草根对刚果红的最大吸附能力，b
是吸附平衡常数。将 Ce/qe 对 Ce 作图，并进行线性模拟，如图
3 所示。在 20，30 和 40 ℃时相关系数分别达到 0.992，0.997
和 0.985，试验值和期望值两者符合得很好，这表明该吸附过
程能够用 Langmuir 吸附等温线方程进行表征。表 2 显示了 Q0
和 b 都会随着温度的升高而降低。在 20，30 和 40 ℃，而蒲
草根对刚果红的最大的吸附容量分别达到了 38.79，34.59 和
30.61 mg/g，表明蒲草根对刚果红具有良好的吸附性能。

表 1 蒲草根吸附刚果红的热力学参数
Tab.1 Thermodynamical parameters for adsorption of Congo
Red on cattail root
温度
/℃ Kc
∆G0
/(kJ·mol-1)
∆S0
/(kJ·mol-1·K-1)
∆H0
/(kJ·mol-1)
20 25.32 -7.871 -0.157 -54.116
30 14.87 -6.800
40 6.09 -4.702


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式中：PS——冲击波超压，Pa；
R——距爆炸中心的距离，m。
以客厅为爆炸中心，距离为 4、9.3、18.2 m 处产生的冲
击波超压值计算如下：
R＝4 m，PS＝7.1×105(R/ WTNT1/3)-2.09
＝ 7.1×105(4/51/3) ﹣2.09
＝1.19×105 Pa
＝1.19 kg cm2
R＝9.3 m，PS＝0.2 kg cm2
R＝18.2 m，PS＝0.05 kg cm2
4 爆炸失效后果分析
4.1 冲击波超压对实际建筑物的破坏情况分析如下
(1)距爆炸中心 4 m 以内时，实际爆炸冲击波超压值超过
1.19 kg cm2，故能造成构筑物的严重损坏；
(2)距爆炸中心 9.3 m 以内时，实际爆炸冲击波超压值超过
0.2 kg cm2，能够造成造成民房墙体开裂，甚至于屋顶塌落，
部分墙体受损的现象；
(3)距爆炸中心 18.2 m 以内时，实际爆炸冲击波超压值超
过 0.05 kg cm2，能够造成住宅铝合金扭曲变形，甚至于能够
造成与爆炸中心相对且无屏障住宅玻璃被震碎；
4.2 户内燃气爆炸能量的其它影响因素
(1)房间内换气次数的影响。随着房间换气的增多，室内
天然气部分逸出，室内天然气达到爆炸极限的时间延长；根据
有关专家经验测算，当每小时换气次数达到 10 次时，就不存
在整个室内空间同时达到爆炸极限的情况，只在泄漏点附近的
局部区域内达到或超过爆炸下限。爆炸危险程度大大降低。
(2)声动不稳定压力峰的影响。根据有关学者对声动不稳
定压力峰的机理研究和试验测算，声动不稳定压力峰产生的最
根本原因是建筑物有平行的壁面，当引燃可燃混合气体闪爆
后，开始泄压，在两个平行的壁面产生声振驻波，于是可燃气
质点以驻波方式形成纵向振动。可燃气团在纵向振动的状态下
燃烧加剧，促使局部压力增高，振荡的压力振幅急剧增大形成
高压力峰值。据有关学者研究，平行的 2 个壁面 1～2 m 的距
离、平行壁面光滑等情况极易产生爆炸声动不稳定压力峰，加
大了事故的损失。
(3)泄压面积。爆炸泄压的防护办法用于建筑物防爆已有
多年历史，一般比例泄压比≥0.404 会大大减少爆炸压力。但
是，试验数据证明，窗玻璃的厚度如果超过 5 cm，会使爆炸
泄压效果大大降低。房门朝里开，也会较大程度地降低泄压爆
炸效果。
除了天然气爆炸冲击波损害外，爆炸瞬间产生的热辐射根
据离爆炸中心的远近也可以将人的面部和裸露的皮肤不同程
度的烧伤，按照理论爆炸温度最高可以达到 3000 ℃左右。另
外，爆炸产生的热辐射还可以将周围的易燃、易爆物品引燃，
造成火灾。

参考文献
[1]王宝兴．声动不稳定燃烧压力峰的产生机理和实验验证[J]．工程热物理
学报，1998，9(4)：379-383．
[2]徐厚生，赵双其．防火防爆[M]．北京：化工工业出版社，2004：5．

(本文文献格式：孙莉，周勤，张莉，等．用户户内天然气气
系统泄漏失效后果分析研究[J]．广东化工，2009，36(9)：9)

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0 50 100 150 200 250 300
0
2
4
6
8
10
C e
/q
e /
(g
·L
-1
)
Ce /(mg·L-1)
温度：● 20 ℃；○ 30 ℃；▲ 40 ℃
图 3 蒲草根吸附刚果红的吸附等温线分析
Fig.3 Langmuir isotherm for adsorption of Congo Red on cattail
root
表 2 蒲草根吸附刚果红的 Langmuir 常数
Tab. 2 Langmuir constants of adsorption of Congo
Red on cattail root
温度/℃ Q0 /(mg·g-1) b/(L·mg-1) 系数 R2
20 38.79 0.0936 0.992
30 34.59 0.0743 0.997
40 30.61 0.0401 0.985
3 结论
(1)蒲草根对刚果红溶液具有良好的吸附脱色能力，在 20，
30 和 40 ℃时，蒲草根对刚果红的最大吸附能力分别是 38.79，
34.59 和 30.61 mg/g。
(2)蒲草根对刚果红的吸附是一个自发、散热的过程，并
且过程符合 Langmuir 等温线方程。因此，利用蒲草根进行染
料废水脱色，既解决了水生植物废弃物的出路，又提供了廉价
有效的吸附剂。

参考文献
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solution on chemical cross-linked chitosan beads [J]．Chemosphere，2003，
50(8)：1095-1105．
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(本文文献格式：王文静，陈慧，胡真虎．蒲草根对阴离子染
料刚果红的吸附及其机理研究[J]．广东化工，2009，36(9)：
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《合成橡胶工业》
《合成橡胶工业》创刊于 1978 年，中国石油天然
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