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Adsorption of p-Nitrophenol in Aqueous Solution by Bamboo-Carbon

竹炭对溶液中对硝基苯酚的吸附性能



全 文 :第 ww卷 第 w期
u s s {年 w 月
林 业 科 学
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„³µqou s s {
竹炭对溶液中对硝基苯酚的吸附性能 3
周 珊t 胡泽友u 颜 伟t 单胜道t
kt1浙江林学院环境科技学院 临安 vttvss ~u1 湖南农业大学实验中心 长沙 wtstu{l
摘 要 } 研究对硝基苯酚在竹炭上的吸附能力以及粒径 !吸附 ³‹ 值 !吸附平衡时间 !竹炭投加量 !吸附温度等因
素对竹炭吸附对硝基苯酚的影响 ∀结果表明 }ts ε 下 ous1s ª平均粒径为 s1tsy ∗ s1s|s °°的竹炭振荡吸附处理
t 初始浓度为 xs °ª#pt的对硝基苯酚水样 tus °¬±后 o对硝基苯酚最大吸附率可达 {u1x h o最大吸附量为 u1sy
°ª#ªpt ~竹炭粒径 !竹炭投加量 !吸附时间等因素对竹炭吸附能力有明显影响 ~酸性条件下对硝基苯酚的吸附率明
显高于中性和碱性条件 ~升高温度不利于对硝基苯酚在竹炭上的吸附 ~ƒµ¨∏±§¯¬¦«模型能较好地描述对硝基苯酚在
竹炭上的吸附过程 ∀
关键词 } 竹炭 ~吸附性能 ~对硝基苯酚
中图分类号 }×±vxt 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kuss{lsw p stts p sx
收稿日期 }ussz p s| p ut ∀
基金项目 }国家/ {yv0计划项目kussy„„syvwwl ~浙江省科技厅重大专项资助项目kussy≤tvsvyl ~浙江省教育厅资助项目kussysyxsl ∀
3 单胜道为通讯作者 ∀
Αδσορπτιον οφ π2Νιτροπηενολιν Αθυεουσ Σολυτιον βψ Βαµ βοο2Χαρβον
«²∏≥«¤±t ‹∏ ¼¨²∏u ≠¤± • ¬¨t ≥«¤± ≥«¨ ±ª§¤²t
kt1 Σχηοολοφ ΕνϖιρονµενταλΣχιενχεσ ανδ ΤεχηνολογψoΖηεϕιανγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Λιν. αν vttvss ~
u1 Εξπεριµενταλ ΧεντερoΗυναν Αγριχυλτυραλ Υνιϖερσιτψ Χηανγσηα wtstu{l
Αβστραχτ } ׫¨ ¤§¶²µ³·¬²± ¤¥¬¯¬·¼ ²© π2±¬·µ²³«¨ ±²¯ ¥¼ ¥¤°¥²²2¦¤µ¥²± º¤¶¶·∏§¬¨§q׫¨ ©¨©¨¦·¶²©√¤µ¬²∏¶³¤µ¤°¨ ·¨µ¶¶∏¦«¤¶
³¤µ·¬¦¯¨ ¶¬½¨ o³‹ √¤¯∏¨ o¤§¶²µ³·¬²±·¬°¨ o¤¥¶²µ¥¨±·§²¶¤ª¨ ¤±§¤§¶²µ³·¬²±·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ²± π2±¬·µ²³«¨ ±²¯ ¤§¶²µ³·¬²± ©¨©¬¦¬¨±¦¼ ²©
¥¤°¥²²2¦¤µ¥²± º¨ µ¨ ¬±√¨ ¶·¬ª¤·¨§q ׫¨ µ¨¶∏¯·¶¶«²º¨ §·«¤··«¨ ¤§¶²µ³·¬²± µ¤·¬² ²© π2±¬·µ²³«¨ ±²¯ ¤±§¤§¶²µ³·¬²± ¤°²∏±·¦²∏¯§
µ¨¤¦«{u1x h ¤±§u1sy °ª#ªpt oµ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ o∏±§¨µ·«¨ ¦²±§¬·¬²± ¶∏¦«¤¶ts ε o π2±¬·µ²³«¨ ±²¯ ¦²±¦¨±·µ¤·¬²± xs °ª#pt o
¥¤°¥²²2¦¤µ¥²± ¶¬½¨ s1tsy ∗ s1s|s °°o ¥¤°¥²²2¦¤µ¥²± §²¶¤ª¨ us1s ª#pt o ¤§¶²µ³·¬²± ·¬°¨ tus °¬±q ׫¨ ¤§¶²µ³·¬²±
³¨µ©²µ°¤±¦¨ ²© ¥¤°¥²²2¦¤µ¥²± º¤¶²¥√¬²∏¶¯¼ ¤©©¨¦·¨§ ¥¼ ¶∏¦« ³¤µ¤°¨ ·¨µ¶¤¶³¤µ·¬¦¯¨ ¶¬½¨ o ¤§¶²µ³·¬²± ·¬°¨ o ¥¤°¥²²2¦¤µ¥²±
§²¶¤ª¨ q׫¨ ¤§¶²µ³·¬²±µ¤·¬²º¤¶«¬ª«¨µ¬±¤¦¬§¶²¯∏·¬²±·«¤±¬± ±¨ ∏·µ¤¯ ²µ¤¯®¤¯¬±¨ ¶²¯∏·¬²±q‹¬ª«¨µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ º¤¶±²·©¤√²µ¤¥¯¨
·²·«¨ ¤§¶²µ³·¬²± ²© π2±¬·µ²³«¨ ±²¯ ¥¼ ¥¤°¥²²2¦¤µ¥²±q׫¨ ¤§¶²µ³·¬²± ¥¨«¤√¬²µ²©·«¨ ¥¤°¥²²2¦¤µ¥²±©²µπ2±¬·µ²³«¨ ±²¯ ²¥¨¼¶·«¨
ƒµ¨∏±§¯¬¦«¬¶²·«¨µ° °²§¨¯q
Κεψ ωορδσ} ¥¤°¥²²2¦¤µ¥²±~¤§¶²µ³·¬²±¦¤³¤¥¬¯¬·¼~ π2±¬·µ²³«¨ ±²¯
对硝基苯酚k°‘°l大量存在于木材防腐厂 !焦化厂 !炼铁厂 !炼油厂 !农药厂 !染料厂的工业废水中 ∀对
硝基苯酚毒性强且难以生物降解 o毒作用于一切生物个体 ∀目前 o国内外处理该类废水的技术主要有吸附 !
萃取等物理化学处理法 o˜≥Πƒ ±¨·²±法k许春建等 oussxl !臭氧氧化k史克祥等 oussyl等化学处理法 o活性污泥
法 !≥…• !厌氧氧化等生物处理法k…«¤·¬oussu ~万年升等 ousszl ∀吸附法作为处理低含酚浓度废水的重要手
段 o在实际中得以广泛应用 o常用的吸附材料有活性炭k查飞等 ousszl !活性炭纤维k唐登勇等 oussyl !大孔树
脂k张爱丽等 oussxl !粉煤灰k夏畅斌 ousssl !膨润土k沈学优等 oussvl等 ∀
竹材作为一种多孔介质材料 o热解后形成的竹炭具有高孔隙度和比表面积 o竹炭表面存在羧基 !酚羟基
等含氧官能团和少量含氢 !氯等其他元素的表面官能团k周建斌 oussxl ∀竹炭因其特殊的表面物理结构和化
学结构特性 o具有物理吸附和化学吸附能力 o成为一种在环境保护 !医学和食品等领域具有广阔应用前景的
新型吸附材料k张齐生 ousstl ∀人们已开展了竹炭对苯酚k王高伟等 oussyl !u ow p 二氯苯酚k朱江涛等 o
ussyl !甲醛k朱江涛等 oussyl !干果红kŽ¤±±¤± ετ αλqoussul等有机物质的吸附研究 ∀
本文以竹炭为吸附剂 o研究对硝基苯酚在竹炭上的吸附行为 o探寻竹炭粒径 !³‹值 !吸附平衡时间 !竹炭
投加量 !吸附温度等因素对竹炭吸附对硝基苯酚的影响 o以及对硝基苯酚在竹炭上的等温吸附方程 ∀
t 材料与方法
111 试验设备及试剂
试验使用仪器主要有 }„• utws电子分析天平k梅特勒 p托利多仪器上海有限公司l ~⁄ŠŠ p |szs…型电
热恒温鼓风干燥箱k国华电器有限公司l ~׋ p {u恒温振荡器k上海博迅实业有限公司l ~³‹酸度计k梅特
勒 p托利多仪器上海有限公司l ~zxu型紫外可见分光光度计k上海棱光技术有限公司l ~z{‹ • p v型恒温磁
力搅拌器k杭州仪表电机有限公司l ~±  p …°行星球磨机k杭州仪表电机有限公司l ∀主要试剂 }对硝基苯酚
k优级纯l ~对硝基苯酚k化学纯l ~盐酸k优级纯l ~氢氧化钠k优级纯l等 ∀竹炭 }由浙江省杭州临安姚氏炭业
有限公司提供 ∀
112 对硝基苯酚的测定
t1u1t 对硝基苯酚标准贮备液制备 称取 t ª经 tss ε 干燥的对硝基苯酚k优级纯l溶于水中 o移入 t sss
°容量瓶中 o稀释至标线 ∀此溶液每毫升含 t1ss °ª对硝基苯酚 ∀
t1u1u 对硝基苯酚标准液制备 移取 x1ss °对硝基苯酚标准贮备液于 xss °容量瓶中 o用水稀释至标
线 ∀此溶液每毫升含 s1sts °ª对硝基苯酚 ∀
图 t 对硝基苯酚标准曲线
ƒ¬ªqt ׫¨ ¶·¤±§¤µ§¦∏µ√¨ ²© π2±¬·µ²³«¨ ±²¯
t1u1v 标准曲线绘制 吸取 s !s1xs !t1ss !v1ss !x1ss !z1ss
和 ts1s °对硝基苯酚标准液分别于 xs °比色管中 o加蒸
馏水至标线 o用 zxu型紫外可见分光光度计测定其吸光度 ∀
测定条件 }溶液 ³‹值 v1x ∗ w1s o波长 vtz ±° ot ¦°石英比色
皿k奚旦立等 oussw ~朱利中等 ousstl ∀对硝基苯酚标准溶
液吸光度和对硝基苯酚浓度的标准曲线见图 t ∀
113 试验内容
t1v1t 竹炭预处理 将竹炭粉碎筛选分级后 o用去离子水
淋洗 o洗净后在恒温干燥箱中烘干至恒重 o储存备用 ∀图 u
为经预处理后竹炭表面及内部的电镜扫描图 ∀由图 u可
知 }竹炭表面及内部具有丰富的孔隙结构 ∀
图 u 电镜扫描图
ƒ¬ªqu ≥∞ ³«²·²ªµ¤³«
¤q竹炭表面 ≥∏µ©¤¦¨ ²©¥¤°¥²²2¦¤µ¥²±~¥q竹炭内部结构 Œ±±¨ µ2¶·µ∏¦·∏µ¨ ²©¥¤°¥²²2¦¤µ¥²±q
t1v1u 吸附试验 uxs °的具
塞锥形瓶中分别加入一定量竹
炭和 tss °一定浓度对硝基苯
酚水样 o盖紧后置于恒温振荡器
ktys µ#°¬±ptl上振荡吸附一定
时间后 o过滤 ∀用紫外可见分光
光度计测定滤液中对硝基苯酚
的残余量 ∀按式ktl计算溶液中
对硝基苯酚的吸附率 Τo按式
kul计算竹炭的吸附量 θ ∀
吸附率 Τ € Χs p ΧΧs ≅ tss h o ktl
吸附量 θ € Χs p ΧΩ ≅
ς
t sss ∀ kul
式中 }Χs 为对硝基苯酚初始浓度 o°ª#pt ~ Χ为滤液中对硝基苯酚浓度 o°ª#pt ~θ为竹炭吸附量 o°ª#ªpt ~
ς为水样体积 o°~ Ω为竹炭用量 oª∀
t1v1v 吸附等温线的测定 分别取 tss °一定浓度的对硝基苯酚水样于具塞锥形瓶中 o加入竹炭 o将锥形
瓶盖紧后置于恒温振荡器上 o振荡吸附一定时间 o过滤 ∀用紫外可见分光光度计测定滤液中对硝基苯酚平衡
浓度 o以对硝基苯酚平衡浓度的对数 ª¯Χ¨ 为横坐标 !竹炭平衡吸附量的对数 ª¯θ¨为纵坐标做等温吸附曲线 ∀
ttt 第 w期 周 珊等 }竹炭对溶液中对硝基苯酚的吸附性能
u 结果与分析
211 竹炭粒径对吸附效果的影响
ux ε 下 o分别取 s1wxs ∗ s1uxs °°kt级l !s1t{s ∗ s1txs °°ku级l !s1txs ∗ s1tsy °°目kv级l !s1tsy ∗
s1s|s °°kw级l !s1s|s ∗ s1szx °°目kx级l !s1syv ∗ s1sxv °°ky级ly个不同粒径级别的竹炭 u1s ª吸附处
理浓度为 xs °ª#pt的对硝基苯酚水样 tss °o振荡吸附处理时间均为 ys °¬±∀
图 v 竹炭粒径对吸附效果的影响
ƒ¬ªqv ∞©©¨¦·²©³¤µ·¬¦¯¨¶¬½¨ ²©¥¤°¥²²2¦¤µ¥²± ²± ¤§¶²µ³·¬²±
结果表明 }随竹炭粒径的减小 o竹炭对对硝基苯酚的吸
附效果呈增强趋势 ∀竹炭平均粒径为 s1wxs ∗ s1uxs °°
时 o对硝基苯酚吸附率为 w|1w h ~而竹炭平均粒径为 s1syv
∗ s1sxv °°时 o对硝基苯酚吸附率增至 xx1z h k图 vl ∀这
是由于竹炭有丰富的孔隙分布k图 ul o因而比表面积高 o具
有物理吸附能力 o物理吸附能力与竹炭的比表面积成正比
k周建斌 oussx ~¤«¤¼¨ ot||{l ∀竹炭粒径越小 o比表面积越
大 o物理吸附能力越强 ∀太细颗粒的竹炭吸附处理水样时
易出现板结现象 o故以下试验均选择平均粒径为 s1tsy ∗
s1s|s °°的竹炭吸附处理对硝基苯酚水样 ∀
图 w 水样 ³‹值对吸附效果的影响
ƒ¬ªqw ∞©©¨¦·²©³‹ ²± ¤§¶²µ³·¬²±
212 水样 πΗ值对吸附效果的影响
ux ε 下 o分别向对硝基苯酚浓度为 xs °ª#pt的水样中
加入少量 x h稀盐酸溶液或 x h稀氢氧化钠溶液 o调节其 ³‹
至不同值 o考察 ³‹值对竹炭吸附对硝基苯酚的影响 ∀竹炭
加入量均为 u1s ªo振荡吸附处理时间均为 ys °¬±∀
结果表明 }水样 ³‹值明显影响对硝基苯酚在竹炭上的
吸附效果 o水样 ³‹ 值越低 o对硝基苯酚吸附率越高 ∀酸性
条件下 o对硝基苯酚的吸附率明显高于中性和碱性条件k图
wl ∀这一方面是因为吸附质的溶解度影响吸附效果 o吸附
质溶解度越低 o越容易被吸附 ∀对硝基苯酚是弱酸性化合
图 x 振荡吸附时间对吸附效果的影响
ƒ¬ªqx ∞©©¨¦·²©¤§¶²µ³·¬²±·¬°¨²± ¤§¶²µ³·¬²±
物 o随 ³‹值的增大 o对硝基苯酚以离子态存在的比例越大 o
对硝基苯酚在水中的溶解性增强 o不利于对硝基苯酚在竹
炭上的吸附 ∀另一方面 o强酸性条件下竹炭结构中部分微
孔和原先堵塞封闭的小孔被打开 o使得比表面积增大 ~同
时孔隙部分表面被烧掉 o结构出现不完整 o使竹炭表面结构
产生缺陷导致表面活性增加 o吸附能力增强 ∀
213 振荡吸附处理时间对吸附效果的影响
ux ε 下 o用竹炭吸附处理对硝基苯浓度为 xs °ª#pt的
水样一定时间 o考察振荡吸附处理时间对竹炭吸附对硝基
苯酚的影响 o竹炭加入量均为 u1s ª∀
结果表明 }在 s ∗ tus °¬±内 o吸附率 !吸附量呈增长趋势 o在 tus °¬±时吸附率为 z{1w h o吸附量为 t1|y
°ª#ªpt ∀tus °¬±以后 o吸附率 !吸附量基本不变 o即 tus °¬±后达吸附平衡k图 xl ∀
214 竹炭投加量对吸附效果的影响
ux ε 下 o取 t1s !u1s !v1s !w1s !y1s和 {1s ª竹炭 o分别振荡吸附处理对硝基苯酚浓度为 xs °ª#pt的水样
tus °¬±o考察竹炭用量对吸附效果的影响 ∀
结果表明 }投加量小于 us1s ª#pt时 o对硝基苯酚吸附率随竹炭投加量的增加而显著增加 o投加量大于
us1s ª#pt时 o对硝基苯酚吸附率增幅趋缓 ~投加量为 us1s ª#pt时 o对硝基苯酚在竹炭上的吸附量最高 o为
t1|y °ª#ªpt o投加量大于 us1s ª#pt o吸附量呈减小趋势k图 yl ∀
对硝基苯酚吸附率随竹炭投加量增加而增加 ∀这是因为 }竹炭具有高孔隙度 !高比表面积k图 ul o竹炭
utt 林 业 科 学 ww卷
图 y 竹炭投加量对吸附效果的影响
ƒ¬ªqy ∞©©¨¦·²©¥¤°¥²²2¦¤µ¥²± §²¶¤ª¨ ²± ¤§¶²µ³·¬²±
表面存在羧基k波长 t yss ¦°pt左右l和酚羟基k波长 v wxs
¦°pt左右l等酸性含氧基团k图 zl o因而具有物理吸附和化
学吸附能力 ∀物理吸附能力与竹炭的比表面积成正比 o化
学吸附能力与竹炭酸性表面基团量成正比k王高伟等 o
ussy ~¤«¤¼¨ ot||{l ∀吸附剂量增加 o吸附剂比表面积和酸
性表面基团量总量增加 o物理吸附和化学吸附能力增强 o故
对硝基苯酚吸附率随竹炭投加量增加而增加 ∀投加量大于
us1s ª#pt后 o吸附量呈减小趋势 ∀这是由于随投加量增
加 o每克吸附质的吸附程度不如小投加量时充分所致 ∀
215 等温吸附及温度对吸附效果的影响
不同温度下 o分别取竹炭 u1s ª于 uxs °具塞锥形瓶
图 z 竹炭傅立叶红外光谱图
ƒ¬ªqz ƒ×Œ• ¶³¨¦·µ∏° ²©¥¤°¥²²2¦¤µ¥²±
中振荡吸附处理对硝基苯酚浓度为 xs
°ª#pt的水样 o考察吸附温度对竹炭
吸附对硝基苯酚的影响 o处理时间均
为 tus °¬±∀
在 ts !ux !ws ε 下测定不同平衡浓
度 Χ¨ k°ª#ptl时对硝基苯酚在竹炭
上的平衡吸附量 θ¨k°ª#ªptl ∀以 ª¯θ¨
对 ª¯Χ¨ 做图 o得不同温度下的等温吸
附曲线k图 {l ∀
结果表明 }反应温度对竹炭吸附
对硝基苯酚的能力有明显影响 ∀ts ε
时 o竹炭吸附对硝基苯酚的效果最好 o对硝基苯酚吸附率为 {u1x h o吸附量为 u1sy °ª#ªpt ~而 zs ε 时 o对硝
基苯酚的吸附率仅为 wz1y h o吸附量为 t1t| °ª#ªptk图 |l ∀
图 { 对硝基苯酚的吸附等温曲线
ƒ¬ªq{ π2±¬·µ²³«¨ ±²¯ ¤§¶²µ³·¬²±¬¶²·«¨µ° ²©¥¤°¥²²2¦¤µ¥²±
图 | 吸附温度对吸附效果的影响
ƒ¬ªq| ∞©©¨¦·²©¤§¶²µ³·¬²± ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ²± ¤§¶²µ³·¬²±
表 1 Φρευνδλιχη等温吸附方程参数
Ταβ .1 Παραµετερσφορ Φρευνδλιχη
ισοτηερµ αδσορπτιον εθυατιον
ΤΠε Κ ν Ρu
ts s1wtu | u1swv v s1||| {
ux s1wsw s t1{xt | s1|{u t
ws s1utu s w1uwy v s1|{v |
ƒµ¨∏±§¯¬¦«模型为多分子层不均匀吸附模式 ∀根据
ƒµ¨∏±§¯¬¦«理论 oƒµ¨∏±§¯¬¦«等温方程 ª¯θ¨ € ª¯Κ n ktΠνl ª¯Χ¨
中 oΚ为吸附系数 o表示吸附能力的相对大小 oΚ值越大 o吸
附能力越强 ~ ν为度量吸附强度的常数 oν  t表明吸附剂对
吸附质的吸附具有优势k× ±¨ª ετ αλqot||| ~ ∏¯¯ µ¨ ετ αλqo
t||{ ~Œ®∏² ετ αλqousstl ∀采用 ƒµ¨∏±§¯¬¦«等温方程对对硝基
苯酚在竹炭上的吸附等温方程进行拟合分析 o拟合结果呈良
好线性关系 ∀由表 t可知 }ν值均大于 t o当温度从 ts ε 升高至 ws ε 时 o吸附系数 Κ从 s1wtu |减小至 s1utu
s o说明对硝基苯酚在竹炭上易于吸附 o高温不利于对硝基苯酚在竹炭上的吸附 ∀
vtt 第 w期 周 珊等 }竹炭对溶液中对硝基苯酚的吸附性能
v 结论
竹炭可以有效吸附对硝基苯酚 o本试验范围内对硝基苯酚最大吸附率为 {u1x h o最大吸附量为 u1sy
°ª#ªpt ∀对硝基苯酚在竹炭上的吸附在 tus °¬±内达吸附平衡 ∀竹炭粒径 !水样 ³‹值 !竹炭投加量 !振荡吸
附处理时间 !吸附温度等因素对竹炭吸附能力有明显影响 ∀竹炭粒径越小 o对硝基苯酚吸附率越大 ~竹炭投
加量增大 o对硝基苯酚吸附率趋于增大 o但投加量大于 us1s ª#pt时 o单位竹炭上吸附量随投加量增加而减
小 ~酸性条件下对硝基苯酚吸附率明显高于中性和碱性条件 ∀对硝基苯酚在竹炭上的吸附等温方程可与
ƒµ¨∏±§¯¬¦«模型较好地拟合 o升高温度不利于对硝基苯酚在竹炭上的吸附 ∀
参 考 文 献
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k责任编辑 石红青l
wtt 林 业 科 学 ww卷