活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭對偶氮染料的吸附分析

　　偶氮染料構成了一個主要的化學類別，占生產的紡織染料的60%至70%。這三種偶氮染料，即乙基橙、甲基橙和間苯胺黃，廣泛用于造紙、紡織、食品、皮革和化學品生產。由于結構復雜、合成來源和低降解性，偶氮染料耐熱、耐陽光和不同的氧化劑。由于芳香胺的釋放會對環境造成影響。因此，對從廢水中去除染料的生產性和低成本技術的需求不斷增長。本次在通過活性炭對偶氮染料的吸附機理，并研究其上附著的官能團對吸附能力的影響。

　　偶氮染料的吸附研究

　　使用分批技術用于評估不同吸附劑(炭化原料、回收的產物和成品活性炭)對乙基橙、甲基橙和間苯胺黃染料的吸附行為。在分批程序中，將0.01g吸附劑添加到有塞玻璃管中，其中有10mL不同濃度的各種偶氮染料染料溶液。這些樣品在恒溫搖動器中在環境溫度下攪拌，直到達到平衡。偶氮染料吸附的動力學研究也在兩種吸附物濃度中的吸附量作為時間的函數進行了研究，動力學數據用于PFO、PSO和IPD模型的建模。對于等溫線研究，在三個不同溫度(25℃、35℃和45℃)下分別用0.01g吸附劑攪拌上述一系列染料濃度，并使用等溫線數據與Langmuir、Freundlich、和Temkin模型以及熱力學參數的確定。本研究中使用的所有吸附劑和常規顆粒活性炭在水中都非常穩定。此外，與吸附劑接觸的所有測試溶液的pH值均在5-6.8范圍內。

　　初始濃度和接觸時間的影響

　　為了研究如何達到平衡，活性炭對偶氮染料的吸附。作為接觸時間函數執行(圖1A-C)。從圖中可以看出，在初始階段，隨著吸附物(偶氮染料)的吸收速度加快，飽和曲線急劇上升。之后，它以適中的速度進行，最終達到平衡。通過初級階段對偶氮染料的較高吸收的原因可能是活性炭表面上大量空位(活性中心/可接近的孔/自由功能單元)的可及性。之后，由于附近占據的染料分子的排斥力，發現吸收減少。圖表還顯示乙基橙、甲基橙和間苯胺黃的最大量在大約60分鐘內被去除，在180分鐘內達到平衡。因此，對于所有吸附研究，實驗進行到240分鐘。

　　圖1：接觸時間和初始濃度對25℃時乙基橙(A)、甲基橙(B)和間苯胺黃(C)在活性炭上吸附的影響。

　　值得注意的是，從圖中可以看出，活性炭對偶氮染料的吸附能力隨著初始濃度的增加而增加。由于初始濃度提供了一個重要的驅動力來克服染料在體相和固相之間的傳質阻力，吸附能力隨著染料初始濃度的增加而增加。

　　活性炭的吸附等溫線

　　為了研究活性炭的吸附能力，平衡吸附等溫線被開發為恒定溫度下濃度的函數，圖表在25℃下如圖2A所示。幾種偶氮染料在25℃吸附等溫線分別為0.194、0.178和0.142mmol·g-1。這些結果表明偶氮染料在活性炭上的吸附順序為：乙基橙>甲基橙>間苯胺黃。圖2B、C顯示了所有三種偶氮染料在35℃和45℃下獲得的吸附等溫線。顯然，所有等溫線的形狀類似于Langmuir(L)型。表示從稀溶液中的吸附，其特征在于吸附劑表面上的單層吸附分子。為了觀察吸附容量隨溫度的變化，在活性炭上去除偶氮染料的實驗分別在25、35和45℃下進行，得到的結果如圖2A-C所示。

　　圖2：25℃(A)、35℃(B)和45℃(C)下偶氮染料在活性炭上的吸附等溫線。

　　對于Langmuir模型，圖3A在1/qe與1/Ce之間繪制，而在Freundlich模型的情況下，圖3B在logqe和logCe之間繪制。對于Temkin模型，圖3C中所有染料在25℃下呈現出qe和lnCe之間的線性圖。通常，利用從線性回歸得到的相關系數(R2)來獲得最佳等溫線來闡述吸附過程。比較R2從Langmuir、Freundlich和Temkin等溫線對陰離子染料乙基橙、甲基橙和間苯胺黃的吸附獲得的值清楚地表明，Langmuir等溫線具有比Freundlich和Temkin等溫線更高的R2值，表明Langmuir等溫線是適合的最佳等溫線模型實驗數據。

　　圖3：Langmuir(A)、Freundlich(B)和Temkin(C)在25℃下偶氮染料在活性炭上上的吸附等溫線。

　　活性炭對偶氮染料的吸附分析，與其他吸附劑相比，新研發的活性炭顯示出有效的吸附能力。偶氮染料在活性炭上的吸附已經用不同的可變參數進行了分析，包括初始染料濃度、接觸時間和溫度。使用不同的吸附等溫線和動力學模型分析實驗吸附數據。活性炭對三種偶氮染料乙基橙、甲基橙和間苯胺黃的Langmuir單分子層吸附容量分別為0.202、0.187和0.158mmol·g-1。偶氮染料吸附量的主要差異與每種染料上存在的官能團及其幾何形狀的變化以及活性炭和染料的疏水性有關。Langmuir模型對等溫線的最佳擬合表明偶氮染料在活性炭上的單層吸附，偶氮染料的動力學遵循PSO模型。這項研究的結果為將來活性炭在吸附其他有機污染物方面的可行性和性能奠定了基礎。

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