全 文 ：第 7 卷 第 1 期 环 境 工 程 学 报 Vol ． 7，No ． 1
2 0 1 3 年 1 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Jan ． 2 0 1 3
花生壳活性炭对水中荧光素钠的
吸附及动力学
龚正君 周文波 陈 钰
(西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031)
摘 要 H3PO4 活化花生壳炭(750℃)为吸附剂，荧光素钠为吸附质。考察了炭化温度、投加量、pH、离子强度、吸附
时间以及初始浓度对花生壳活性炭吸附荧光素钠的影响。重点研究了花生壳活性炭对荧光素钠的等温吸附特征，并利用
准一级、准二级动力学模型和颗粒内扩散方程对花生壳活性炭吸附荧光素钠的动力学过程进行了分析。结果表明，本实验
条件下，Langmuir等温吸附模型能很好地描述花生壳活性炭对荧光素钠的吸附效果，吸附强度因子 a 为正值，表明吸附过
程在本实验条件下可自发进行。通过带入实验数据校对得出准二级动力学方程能更好地描述花生壳活性炭对水中荧光素
钠的吸附动力学过程。
关键词 荧光素钠 花生壳活性炭 等温吸附 动力学
中图分类号 X703. 1 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2013)01-0221-05
Adsorption and dynamics of active peanut shell carbon
adsorbing fluorescein sodium
Gong Zhengjun Zhou Wenbo Chen Yu
(Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)
Abstract Active peanut shell carbon(750℃)as adsorbent，fluorescein sodium as adsorbate，the influ-
ences of carbonization temperature，dosage，initial pH，ionic strength，adsorption time，and concentration on ad-
sorption effect were investigated in the test． Focuses on the isothermal adsorption characteristics of the active pea-
nut shell carbon adsorbing fluorescein sodium，the pseudo-first order，pseudo-second order kinetic dynamics
models and the particulate interior diffusion equation were used to analyze the dynamic process． The results
showed that Langmuir isotherm model can simulate the adsorption effect well，and the adsorption intensity factors
(a)were positive，which indicated the spontaneity of adsorption process． By substituting experimental data into
dynamic model，the pseudo-second order kinetic dynamic model can better simulate the trend of data．
Key words fluorescein sodium;active peanut shell carbon;isothermal adsorption;kinetics
基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU12-
CX020)
收稿日期:2011 － 07 － 11;修订日期:2011 － 07 － 27
作者简介:龚正君(1976 ～) ，女，博士，副教授，主要从事环境化学与环
境监测新方法的研究工作。E-mail:gongzhengjun@126． com
荧光素钠是一种黄绿光区具有光致荧光特性的
染料，常作为荧光性试剂和荧光探针被广泛应用于
化学物质的分析以及生命科学领域［1］。含荧光素
钠废水因其高色度，可生化性差，pH 影响定量检测
等特点，很难通过化学或生物方法进行处理，对其的
研究也鲜见报道。近年来，对废水的处理主要集中
在物理化学吸附、化学试剂氧化、膜处理、光催化氧
化以及微生物降解处理等技术［2-5］。其中，吸附法
作为一种较为高效、经济的处理废水的方法，广受人
们关注。常用的吸附剂主要有活性炭、磺化煤、活性
白土、硅藻木、木炭、木屑以及各种新型的吸附
剂［6］。活性炭作为吸附剂使用最为普遍，但目前造
价较高且以现有技术很难达到令人满意的再生效
果。花生壳是花生加工余留的角料，一般都被当做
废弃物处理，造成了资源的浪费。目前，对花生壳作
为吸附材料处理废水中的重金属和染料的文献较
多，但将其用于吸附去除荧光素钠的研究还未见报
道。为此，作者将花生壳经过高温炭化，磷酸活化制
备成纤维素活性炭［7］，以荧光素钠为模拟废水，探
讨了花生壳活性炭吸附荧光素钠主要影响因素及其
最佳吸附参数等，并对等温吸附特性和动力学做了
一定研究。以期为花生壳活性炭在荧光素钠废水中
环 境 工 程 学 报 第 7 卷
的应用提供理论基础。
1 实验材料和方法
1. 1 实验试剂和仪器
荧光素钠、盐酸、氢氧化钠、磷酸均为分析纯。
所有实验用水均为二次去离子水。
日立荧光光谱仪 F-7000(天美科技有限公司) ;
普通摇床(中国科学院武汉科学仪器厂) ;恒温摇床
FUMAQYC200(上海福玛实验设备有限公司) ;电热鼓
风干燥箱(江苏省东台县电器厂) ;精密 pH 计(上海
雷礠仪器厂) ;实验电炉(武汉工力电路有限公司)。
1. 2 花生壳活性炭的制备
花生壳取自农贸市场。用自来水清洗后，在
105℃烘箱中烘干取出，经粉碎机粉碎至粉末状，称
取 5 g于瓷坩埚中，加盖后放于马弗炉中，以 150℃
为升温梯度升温，间隔为 10 min，待温度升至 750℃
时，炭化 1 h，取出后用 1 mol /L H3PO4 活化 90 min，
活化温度为 60℃，过滤，然后用 10%HCl，10%NaOH
和去离子水冲洗至接近中性，在 110℃条件下烘干，
装瓶备用［7］。
1. 3 吸附量和去除率的计算
溶液中荧光素钠浓度采用日立荧光光谱仪
测定。
吸附量和去除率采用下式计算:
吸附量 =
(C0 － C1)V
M (1)
去除率 =
(C0 － C1)V
C0
(2)
式中:C0 和 C1 分别代表荧光素钠的原液浓度
和 t时刻的浓度(mg /L) ;V为移取的溶液体积(L) ;
M为吸附剂用量(g)。
2 结果与讨论
2. 1 炭化温度对吸附性能的影响
花生壳分别在 150、300、450、600 和 750℃ 5 个
温度下炭化 1 h 制备成吸附剂，在常温和吸附时间
24 h条件下，考察炭化温度对花生壳活性炭对荧光
素钠吸附能力的影响，结果如图 1 所示。
由图 1 可知，随着炭化温度的升高，花生壳活性
炭对荧光素钠的吸附量和吸附率都急剧上升，这是
因为高温条件下，花生壳中主要物质纤维素、木质素
和半纤维素被炭化成炭纤维，极大地增加了吸附剂
的比表面积［8］。同时，温度越高，在炭化过程中气
体分子运动越激烈，在一定程度上可以增加吸附孔
隙。温度的升高，吸附量基本呈现上抛趋势，可以大
图 1 炭化温度对荧光素钠去除效果的影响
Fig. 1 Effect of carbonization temperature on
fluorescein sodium removal
概的猜想，花生壳活性炭对荧光素钠的吸附是物理
吸附占主导的吸附过程。考虑到实际条件，本实验
只做到 750℃。
2. 2 投加量对吸附性能的影响
吸附剂投加量是一个重要的参数，它决定了吸
附剂对吸附质的吸附容量。为确定适宜的投加量，
分别进行了投加量为 0. 05、0. 1、0. 2、0. 4 和 0. 6 g
时，花生壳活性炭对 50 mL 浓度为 10 mg /L 荧光素
钠吸附效果的研究，结果如图 2 所示。
图 2 投加量对荧光素钠的去除效果的影响
Fig. 2 Effect of dosage on fluorescein sodium removal
由图 2 可知，随着吸附剂投加量的增大，对荧光
素钠的去除率也随之升高，但投加量增大到一定程
度(0. 2 g) ，去除率变化不再明显。这是因为吸附剂
投加量增大到一定程度后，过量吸附剂不能被充分
利用，产生空余活性位置，使得每单位吸附剂中吸附
质的量逐渐降低［9］。
从吸附效率和单位吸附量两方面综合考虑，选
择 0. 1 g作为 4 种吸附剂的最适投加量。
2. 3 离子强度对吸附性能的影响
现实中的废水，总是存在着不同离子浓度，严重
的盐析作用或许会对吸附过程产生影响［10］，介于
此，对花生壳活性炭吸附荧光素钠分别处于 0、0. 1、
0. 2 和 0. 3 mol /L NaCl 溶液环境中，吸附 8 h 后，取
样测定。
结果如图 3 所示，由图 3 可知，NaCl 溶液浓度
222
第 1 期 龚正君等:花生壳活性炭对水中荧光素钠的吸附及动力学
的改变，对整个吸附过程基本没有影响，吸附量都集
中在 2. 10 ～ 2. 20 mg /g 之间，误差小于 5%［10］。所
以，在对花生壳活性炭吸附荧光素钠的过程，可以不
考虑离子强度的影响。
图 3 离子强度对荧光素钠的去除效果的影响
Fig. 3 Effect of ion concentration on fluorescein
sodium removal
2. 4 pH值对吸附性能的影响
因荧光素钠的荧光输出特性依赖与其 pH 值的
关系［11］，所以吸附实验在不同 pH 条件下进行，但
测定浓度统一调至 pH 为 10 时测定。在常温和吸
附实验时间为 24 h条件下，考察溶液 pH(3 ～ 9)范
围内，花生壳活性炭对荧光素钠的吸附过程的影响，
结果如图 4 所示。
图 4 pH对荧光素钠的去除效果的影响
Fig. 4 Effect of pH on fluorescein sodium removal
由图 4 可知，花生壳活性炭在碱性环境中对荧
光素钠的吸附量很小，随 pH 值的降低，吸附量逐渐
增加。这是因为荧光素钠在酸性条件下，随着 Na +
的流失，分子负电性减弱，处于低电荷密度，与同等
条件下负电性也减弱的纤维活性炭之间存在一定的
吸引作用［8］，从而导致吸附量的升高。
本研究后续实验在溶液 pH为 3的条件下进行。
2. 5 吸附时间对吸附过程的影响
在常温条件下，用花生壳活性炭吸附 50 mL 浓
度为 10 mg /L 的荧光素钠溶液，投加量为 0. 1 g，吸
附时溶液 pH为 3，测定时溶液 pH为 10，取样时间分
别为 0、1、2、4、6、8、10、12和 24 h，结果如图 5所示。
由图 5 可知，吸附初始阶段，斜率很大，吸附量
图 5 吸附时间对荧光素钠去除效果的影响
Fig. 5 Effect of adsorption time on fluorescein
sodium removal
急剧上升，如此快速的吸附可能是由吸附剂与吸附
质之间的范德华引力造成的，表明此吸附过程是一
个快速的物理吸附占主导的过程［12］。在吸附 2 h
后，吸附量随时间缓慢上升，此过程中吸附量约占平
衡吸附量的 1 /4 左右，这是因为吸附剂上活性位置
被充分利用或者表面吸附引起的，属于化学吸附占
主导的吸附过程［13］。在吸附 8 h 后达到吸附饱和，
吸附量不再随时间上升。吸附饱和后斜率为负，吸
附量较吸附平衡时的吸附量略小，这可能是由吸附
饱和后的解吸过程造成的。
花生壳活性炭对荧光素钠的吸附动力学可将实
验数据带入 Lagergren准一级动力学模型、准二级动
力学模型和颗粒内扩散方程［14］，通过线性拟合参数
描述。
准一级动力学方程:
dqt
dt = k1(q1 － qt)
将边界条件 t = 0 时 qt = 0 及 t = t时 qt = qt 代入
上式定积分再转化成常用对数后得:
lg(q1 － qt)= lgq1 －
k1 t
2. 303 (3)
准二级动力学方程:
dqt
dt = k2(q2 － qt)
2
积后其线性表达式为:
t
qt
= 1
k2q
2
2
+ tq2
(4)
颗粒内扩散线性方程:
qt = k3 t
0. 5 (5)
式中:q1 和 qt 分别为吸附剂对溶液中荧光素钠
吸附平衡时和 t时间的吸附量(mg /g) ;t 为吸附作用
时间(min) ;k1 为准一级动力学速率常数(min
－1) ;k2
为准二级动力学速率常数(g /(mg·min) ) ;q2 为吸
322
环 境 工 程 学 报 第 7 卷
附剂对溶液中荧光素钠的平衡吸附量(mg /g)。k3
为颗粒内扩散速率常数(mg /(g·min) )。
将吸附饱和前实验数据带入 3 个动力学模型，
线性拟合相关参数如表 1 所示。
表 1 动力学方程相关参数
Table 1 Related parameters of kinetic equations
q1 k1 q2 k2 k3 r2
准一级动力学
准二级动力学
颗粒内扩散方程
4. 502
—
—
0. 184 ×10 －3
—
—
—
4. 948
—
—
0. 003
—
—
—
6. 552
0. 757
0. 968
0. 797
从准一级动力学准二级动力学和颗粒内扩散方
程的拟合结果可以看出，准二级动力学拟合花生壳
活性炭的相关性最好，达到了 0. 968，表明花生壳活
性炭对水中荧光素钠的吸附动力学过程符合准二级
动力学，表达式为:t / qt = 0. 202 + 16. 303t。由准二
级动力学模型可以计算出花生壳活性炭对荧光素钠
的平衡吸附量 q2 = 4. 948 mg /g，与实验值 q1 = 4. 502
mg /g(吸附作用达到吸附饱和时的吸附量)相比较，
其值很接近。两者相对误差为 9. 906%。因此，可
以用准二级动力学模型来描述花生壳活性炭对水中
荧光素钠的吸附行为。
2. 6 初始浓度对吸附过程的影响
在常温条件下，投加量为 0. 1 g，吸附时溶液 pH
为 3，测定时溶液 pH为 10，用恒温摇床摇 8 h 后，取
样测定不同平衡浓度 Ce(mg /L)时荧光素钠在花生壳
活性炭上的平衡吸附量 qe(mg /L) ，结果如图 6所示。
图 6 初始浓度对荧光素钠去除效果的影响
Fig. 6 Effect of initial concentration on fluorescein
sodium removal
由图 6实验数据曲线可知，在荧光素钠初始浓度
较低阶段，随着水中荧光素钠平衡质量浓度的增加，
花生壳活性炭对荧光素钠的吸附量显著增大，基本呈
线性关系增长，在初始浓度达到 80 mg /L 时，才逐渐
趋于平缓，说明花生壳活性炭对低浓度的荧光素钠溶
液具有明显的吸附作用，而浓度较高时，吸附剂表面
被吸附质覆盖，从而导致单位吸附量增加减缓。
恒温条件下固体表面发生的吸附现象，采用
Langmuir和 Freundlich方程来线性表征其表面吸附
量和介质中溶质平衡浓度之间的关系［15，16］。
Langmuir模型主要假设吸附质在吸附剂固体表
面是单分子层吸附，表面上各个吸附位置分布均匀。
Langmuir方程:
qe =
aQmCe
1 + aCe
经方程变形后 Langmuir方程呈线性形式:
Ce
qe
= 1aQm
+
Ce
Qm
(6)
式中:Ce 为吸附平衡时溶液中荧光素钠浓度
(mg /L) ，qe 为平衡时吸附剂对荧光素钠吸附量
(mg /g) ，Qm 为吸附剂的最大吸附量(mg /L) ，a 为
Langmuir常数。
Freundlich模型是用来描述非均相吸附体系的
经验式模型，若固体表面是不均匀的，交换吸附平衡
常数将于表面覆盖度有关。Freundlich方程:
Qe = KC
1
n
e
方程两端取对数，可线性为:
lnQe = lnK +
1
n lnCe (7)
式中:Qe 为平衡时吸附剂对荧光素钠吸附量
(mg /g) ，Ce 为吸附平衡时溶液中荧光素钠浓度
(mg /L) ，K、1 /n为常数。
将实验数据经 Langmuir 等温吸附方程和 Fre-
undlich等温吸附方程线性拟合，参数如表 2 所示。
表 2 等温吸附方程相关参数
Table 2 Related parameters of isothermal
adsorption equations
Langmuir Freundlich
Qm a r2 K n r2
花生壳活性炭 172. 414 2. 762 0. 962 87. 348 4. 264 0. 519
由表 2 相关系数来看，Langmuir 等温吸附方程
较 Freundlich等温吸附方程能更好地描述花生壳活
性炭对溶液中荧光素钠的等温吸附特征，等温吸附
方程 Ce / qe = 0. 006Ce + 0. 002，其拟合相关系数达到
了 0. 962。说明吸附质在吸附剂固体表面是单分子
层吸附，表面上各个吸附位置分布均匀。吸附强度
因子 a为正值，表明吸附过程在本实验条件下可自
发进行，根据 Langmuir方程模拟出不同温度下的理
论最大吸附量为 172. 414 mg /g。
422
第 1 期 龚正君等:花生壳活性炭对水中荧光素钠的吸附及动力学
3 结 论
(1)经过 750℃高温炭化并活化后的花生壳活
性炭在投加量为 0. 1 g，pH为3时对荧光素钠具有较
好的吸附能力;NaCl浓度对吸附过程基本没有影响;
吸附在 8 h时达到平衡，随后伴有较弱解吸过程。
(2)花生壳活性炭对水中荧光素钠的吸附动力
学过程符合准二级动力学。由准二级动力学模型可
以计算出花生壳活性炭对荧光素钠的平衡吸附量
q2 = 4. 948 mg /g，与实验值 q1 = 4. 502 mg /g(吸附作
用达到吸附饱和时的吸附量)相比较，其值很接近。
二者相对误差为 9. 906%。
(3)花生壳活性炭吸附荧光素钠的过程符合
Langmuir等温吸附模型，吸附质在吸附剂表面是单
分子层吸附，表面上各个吸附位置分布均匀。吸附
强度因子 a为正值，表明吸附过程在本实验条件下
可自发进行，根据 Langmuir 方程模拟出理论最大吸
附量为 172. 414 mg /g。
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