活性炭对水中亚甲基蓝的吸附性能研究

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活性炭对水中亚甲基蓝的吸附性能研究

随着工业化进程的加快，水污染问题日益严重，严重影响了生态环境及人
类健康，有效地治理水污染已成为环保工作者关注的热点。

染料废水因其组分复杂，有机毒物含量大，色度高，难生物降解，抗光解、
抗氧化性强，具有致癌、致畸、致突变等“三致”毒性，给环境带来了严重污
染。

亚甲基蓝是水溶性偶氮染料的代表性化合物，含这类染料的印染废水排放
量大，污染性强，难生物降解。目前国内外在染料废水处理上常用的方法有吸
附法、混凝沉淀法、膜分离技术、磁分离技术、电化学法、化学氧化法、光催
化降解法、微生物处理法等，与其他处理方法相比，吸附法具有工艺简单、可
操作性强、吸附剂种类多，不产生二次污染物等优点，成为处理污水中难生物
降解污染物的有效方法。

活性炭是一种具有类石墨微晶结构的炭材料，是利用含碳原料经过炭化活
化后得到的产品，具有高比表面积、丰富的孔隙结构、较强的吸附能力、多样
的表面化学性质等特性，是处理废气，含染料、重金属、非金属等废水的优良
吸附剂，广泛应用于化工、医药、环保、食品等领域。

本实验探讨了吸附剂用量、吸附时间、温度等反应条件对活性炭吸附亚甲
基蓝性能的影响，得到吸附过程的最佳条件，并对活性炭的吸附机理进行了分
析，为含亚甲基蓝染料废水的治理提供一定的依据。

1 实验
1． 1 试剂与仪器
本实验使用的试剂为活性炭，亚甲基蓝，实验用水为超纯水。台式恒温振
荡器，紫外可见分光光度计，分析天平。

1． 2 实验方法
称取一定量活性炭加入装有150mLMB 溶液的锥形瓶中，然后放入恒温振
荡器中，在一定温度下振荡吸附一段时间，振荡转速为250 r/min，振荡结束后
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用0.45μm 的滤膜过滤，然后使用紫外-可见分光光度计( 吸收波长为668 nm)
测定滤液中MB 的吸光度，最后根据MB 溶液标准曲线计算出滤液中

MB 的浓度。
活性炭对MB 的去除率、吸附量可由以下公式计算:
(1)
(2)
式中: A 为活性炭对MB 的去除率; ρ0，ρe分别为MB溶液的初始质量浓度
和吸附平衡时的质量浓度，mg /L; qe为吸附平衡时活性炭对MB 的吸附量，
mg /g; m 为活性炭的用量，mg; V 为亚甲基蓝溶液的体积，mL。

2 结果与讨论
2． 1 活性炭用量对MB 去除率的影响
量取150 mL 质量浓度为100 mg /L 的MB 溶液6 份，分别加入25， 50，
75，100，125， 150 mg 活性炭在常温条件下反应6 h。

活性炭用量与MB 去除率的关系如图1 所示，随着用量的增加，活性炭对
MB 的去除率不断增加。

当活性炭用量大于100 mg 时，其对亚甲基蓝的去除率趋于稳定，去除率达到
98% 以上。因此，MB 初始质量浓度为100 mg /L 时，合理的活性炭质量浓度
为0.667g /L。
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2． 2 吸附时间对活性炭去除MB 的影响
量取150 mL 质量浓度为100， 200 mg /L 的MB溶液各9 份，分别加入
100 mg 活性炭后放入恒温振荡器在常温下进行振荡吸附，吸附时间分别为5，
15，30，60，120，180，360，540，720 min。

活性炭对MB 的吸附量随时间的变化曲线如图2 所示，吸附量随着反应时
间的增加而增加，并且在不同初始质量浓度下，活性炭吸附MB 的时间曲线形
状相似。

在反应后的30 min 内，吸附速率很快，吸附量急剧增加，当吸附时间达到360
min 时，活性炭对MB 的吸附量基本趋于稳定。吸附时间曲线说明，在其他反
应条件固定时，活性炭吸附亚甲基蓝的最优反应时间为360 min。

2． 3 温度对对活性炭吸附MB 的影响
量取150 mL 初始质量浓度分别为100，120，140，160， 180，200 mg /L 的
MB 溶液各4 份，分别加入100 mg 活性炭后在温度为298，308，318，328 K
下进行振荡吸附360 min。
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如图3 所示，不同温度下活性炭对亚甲基蓝的吸附量不同，随着反应温度的升
高，活性炭对MB 的吸附量逐渐减小。可知活性炭对MB 的吸附反应为放热反
应。

2． 4 吸附动力学分析
吸附动力学研究主要是用来描述吸附剂吸附溶质的速率快慢，通过动力学
模型对吸附实验数据进行拟合，从而探讨其吸附机理。

常见的吸附动力学方程包括伪一级动力学方程、伪二级动力学方程和颗粒
内扩散方程。本实验采用伪一级和伪二级模型对吸附动力学实验数据进行拟合。
伪一级动力学方程可以用下式表示:

ln( qe-qt) = ln qe － k1 t (3)
式中: t 为吸附时间，min; q
e和qt
分别为吸附平衡时及t 时刻的吸附剂对

吸附质的吸附量，mg /g; k1为伪一级动力学模型的吸附速率常数，min － 1。
以ln( q
eqt
) 对t 作图得到直线，通过直线的斜率和截距可以计算出参数k1和

qe的值。伪二级动力学方程可以用下式表示:
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式中: k2为伪二级动力学模型的吸附速率常数，g /( mg·min) ，其他与式( 3)
相同。以t /qt对t 作图得到直线，通过直线的斜率和截距可以计算出参数

qe和k2的值。
分别采用伪一级和伪二级动力学方程对活性炭吸附MB 实验数据进行线性
拟合，结果如图4、表1所示。

由拟合结果可知，通过伪二级动力学方程拟合得到的相关系数为1，理论吸附
量与实际吸附量十分接近。可知伪二级动力学模型对实验数据的拟合结果更为
理想，活性炭对亚甲基蓝的吸附过程完全符合伪二级动力学模型。

2． 5 吸附等温线分析
吸附等温线用于描述吸附剂对吸附质的吸附特性。常用的吸附等温线模型
有3 种，分别是Langmuir，Freundlich 和Temkin 等温吸附方程。
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本实验采用Langmuir 和Freundlich 吸附等温线模型对实验数据进行拟合
Langmuir 吸附等温线是理想状态下的模拟，常用于描述单分子层吸附。方程线
性表达式如下:

式中: ρ
e为平衡质量浓度，mg /L; qe，qmax
分别为平衡吸附量和最大吸附

量，mg /g; k
L为Langmuir 吸附平衡常数，mg /L。以ρe /qe对ρe
作图得到直线，

通过直线的斜率和截距可以计算出参数q
max和kL
的值。

Freundlich 吸附等温方程是经验公式，适用于不均一吸附剂表面的非理想吸附，
其线性表达式如下:

式中: q
e为平衡吸附量，mg /g; ρe为平衡质量浓度，mg /L; kF
为

Freundlich 吸附平衡常数，mg /g，表示吸附能力的大小; 1 /n 为量纲一的与吸
附强度有关的系数，其值越小吸附性能越好。以ln q
e对ln ρe
作图得到直线，

通过直线的斜率和截距可以计算出参数k
F
和n 的值。

分别采用Langmuir 和Freundlich 吸附等温方程对活性炭吸附MB 实验数据进
行线性拟合，并计算吸附量、平衡常数等参数，结果如图5、表2 所示。由拟
合结果可知，活性炭对MB 的的吸附等温过程很好地符合Langmuir 和
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Freundlich 吸附等温方程，线性相关系数均在0.99以上。其中Langmuir 吸附
等温方程的拟合比Freundlich 吸附等温方程好，说明活性炭对MB 的吸附更倾
向于单层吸附。

3 结论
( 1) 吸附实验研究表明活性炭吸附MB 的最佳反应条件: 活性炭用量为
0.667g /L，吸附时间为360 min，反应温度为298 K。在此条件下，活性炭对
MB 的饱和吸附量为249.081 mg /g。吸附反应在前30 min 内速率很快，并约
在360 min 内达到吸附平衡，吸附动力学符合伪二级动力学模型。

2) 活性炭对亚甲基蓝的吸附反应为放热过程。活性炭对亚甲基蓝的吸附过
程符合Langmuir和Freundlich 吸附等温模型，且线性相关系数均在0.99 以上。
其中Langmuir 吸附等温方程的拟合比Freundlich 吸附等温方程好，说明活性
炭对MB 的吸附更倾向于单层吸附。