针铁矿对亚甲基蓝的吸附性能研究
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摘 要：采用人工合成的针铁矿为吸附剂，处理模拟亚甲基蓝废水，考察了多种因素对针铁矿吸附亚甲基蓝的影响。结果表明：针铁矿吸附亚甲基蓝的平衡时间为30 min;对于30 mg/L的亚甲基蓝溶液，投加量为8 g/L，去除率达88.2%;温度影响较小;亚甲基蓝溶液为中性，吸附效果最佳;针铁矿对亚甲基蓝的吸附可以用Langmuir模型拟合，吸附符合准二级动力学方程，随着温度的增加，吸附速率加快。
关 键 词：针铁矿;亚甲基蓝;吸附;染料
中图分类号：TQ340.47， TQ577.3 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）02-0353-04
Abstract： Synthetic goethite was used as adsorbent to treat simulated methylene blue wastewater， and effect of some factors on the adsorption of methylene blue by goethite was investigated. The results showed that：adsorption equilibrium time of methylene blue on goethite was 30 min; for 30 mg/L methylene blue solution， when goethite dosage was 8 g/L， the removal rate reached 88.2%; the temperature had little effect on the adsorption; when the methylene blue solution was neutral， the adsorption effect was the best. The adsorption of methylene blue on goethite can be fitted by Langmuir model， the adsorption of methylene blue by goethite accords with quasi-second-order kinetic equation， and the adsorption rate increases with the increase of temperature.
Key words： Goethite; Methylene blue; Adsorption; Dye
隨着工业化的飞速发展，染料成为水环境污染中的重要污染物，染料废水引发的环境问题日益突出，对生态系统和人体健康构成严重的威胁。常见去除废水中染料方法主要有吸附法、臭氧化法、光催化法、超滤法、电解法、离子交换法和生物氧化法等[1-4]。其中，吸附法因为具有投资少、处理效果好、吸附剂可再生、可以减小毒性等很多优点，被广泛应用于水处理当中[5，6]。因此，研发高性能的吸附剂是当前水处理领域重要的研究热点。
针铁矿（α- FeOOH）是土壤、沉积物和水体中常见的组分，表面积较大，吸附能力较强[7]。很多研究者对其吸附性能进行了研究。王丹丽研究了针铁矿对重金属离子Cu2+ 、Zn2+ 和Cd2+ 的吸附[8];袁林研究了针铁矿对Pb2+的吸附动力学和等温吸附特征，考察了影响吸附的因素[9];顾维研究了针铁矿吸附诺氟沙星的特征[10];刘晓华研究了针铁矿对菲的吸附解吸行为[11];秦烜以针铁矿（α-FeOOH）为光催化剂，在金属卤灯（λ≥365 nm）照射下，对α-FeOOH 与H2O2 组成的非均相Fenton 体系内橙黄Ⅱ的脱色进行了研究，取得了较好的脱色效果[12]。目前还很少有人研究针铁矿对染料废水的吸附性能。本文以人工合成的针铁矿为吸附剂，处理染料亚甲基蓝，考察了影响吸附效果的各种因素，目的在于为染料废水的吸附处理提供相关的理论依据。
1 实验部分
1.1 针铁矿的制备及表征
配置一定浓度的硝酸铁溶液，用氢氧化钠溶液和硝酸溶液，调节pH值，经养护、冷却至室温，以5 000 r/min 的转速离心分离5 min，烘干，磨碎，制备出针铁矿。生成的针铁矿采用XRD及SEM进行表征[13]。
1.2 静态吸附试验
向配置好的亚甲基蓝溶液中加入一定量自制的针铁矿，恒温振荡一段时间，高速离心分离，用分光光度计于664 nm波长下测定上清夜中亚甲基蓝的浓度。
2 结果分析
2.1 针铁矿的表征
将制备的针铁矿用XRD进行表征，以Cu靶Kα作为辐射电源，6°/min进行扫描。结果如图1。
由图1可见，制备的针铁矿XRD图峰形尖锐，在2θ=21.2°，33.2°，34.7°，36.6°，53.2°处出现明显的衍射峰，参照JCPDS Card： 81- 0463及相关文献，表明制备的样品为针铁矿（α-FeOOH）[13，14]。
由图2的SEM图可知，所制备的针铁矿呈细小棒状，直径 30～50 nm， 长度500 nm 左右，纳米棒均匀分散，交错排布，无明显团聚。
2.2 各种因素对针铁矿吸附亚甲基蓝效果的影
2.2.1 吸附时间对亚甲基蓝去除率的影响
配置6份50 mL 30 mg/L的亚甲基蓝溶液，向其中加入0.1 g针铁矿，在25 ℃，150 r/min振荡5，10，20，30，40，50 min。4 500 r/min下离心分离10 min，测定其吸光度，计算出去除率，数据如图3所示。 从图3中可以看出，从5 min到30 min的过程中，随着时间的延长，针铁矿对亚甲基蓝的去除率由32%增加至43%。当吸附时间为30 min时达到最大吸附量，在30 min至50 min这段时间内，亚甲基蓝的去除率从43%降至34%，这可能是本已吸附了的亚甲基蓝有一部分脱附了，综合考虑，吸附时间30 min为最佳。
2.2.2 吸附剂投加量对亚甲基蓝去除率的影响
配置7份50 mL30 mg/L的亚甲基蓝溶液，分别向其中加入0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7g针铁矿，于25 ℃，150 r/min振荡30 min，4 500 r/min下离心分离10 min，测定其吸光度，数据如图4。
从图4可以看出，针铁矿投加量增加，亚甲基蓝的去除率总体上呈上升趋势，投加量为0.1 g时，去除率为43.0%，投加量为0.4 g时，去除率达到88.2%，在0.1～0.3 g范围内，去除率显著增加，这是因为增加吸附剂的量，吸附质和吸附剂表面接触的机会增加，投加量继续增加，去除率趋于稳定。
2.2.3 亚甲基蓝初始浓度对其吸附的影响
分别向50 mL不同浓度的亚甲基蓝溶液中加入0.2 g针铁矿，在25 ℃，150 r/min振荡30 min，4 500 r/min下离心分离10 min，测定其吸光度，数据如图5。
由图5可见，亚甲基蓝初始浓度增加，去除率呈下降趋势，10 mg/L的亚甲基蓝溶液去除率为89.3%，60 mg/L亚甲基蓝溶液中去除率下降到68.7%，这是因为溶液初始浓度增加，单位质量的亚甲基蓝和针铁矿表面接触的机会减少。
2.2.4 温度对亚甲基蓝去除率的影响
分别向50 mL 10 mg/L亚甲基蓝溶液中加入等质量的针铁矿，分别在不同温度，150 r/min振荡30 min，4 500 r/min下离心分离10 min，测其吸光度，数据见表1。
由表1可以看出，温度增加，亚甲基蓝去除率呈轻微增加的趋势，对于10 mg/L的亚甲基蓝，温度从25 ℃升高到45 ℃，去除率仅增加4.08%，温度对吸附的影响效果较小。
2.2.5 吸附等温线
对实验数据进行了粒子内扩散模型的拟合，拟合结果见表5。由表5可见，拟合的相关系数较小，且拟合曲线并不经过原点，这意味着颗粒内扩散不是亚甲基蓝在针铁矿上吸附机理的速率决定步骤，而是由两个或多个步骤控制，该模型表明亚甲基蓝在针铁矿上的吸附属于动态吸附行为，其扩散机制符合多级过程，并且，随着温度的增加，粒子内扩散速率常数逐渐增大，说明升温有利于提高吸附速率。此外，参数C与边界层的厚度有关，在本研究中，C值较高，这表明针铁矿对亚甲基蓝具有很高的吸附潜力，也就意味着边界层扩散也很重要。
3 结论
本论文以人工合成的针铁矿为吸附剂，吸附处理亚基甲蓝模拟废水，讨论了多个因素对针铁矿吸附亚甲基蓝的影响，得出以下结论：
（1）随着时间增加，针铁矿吸附亚甲基蓝的量增大，吸附平衡时间为30 min。（2）亚甲基蓝的去除率随吸附劑投加量的增大而增加，对于50 mL 30 mg/L的亚甲基蓝溶液，加入0.4 g针铁矿，去除率可达88.2%。（3）针铁矿对亚甲基蓝的吸附受温度影响较小。（4）针铁矿对亚甲基蓝的吸附可以用Langmuir模型拟合且为优惠吸附。（5）针铁矿对亚甲基蓝的吸附符合准二级动力学方程，粒子内扩散并不是针铁矿吸附亚甲基蓝的速率决定步骤，随着温度的增加，吸附速率加快。
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