我國印染工業產生的廢水不但排放量大、色度深，而且污染物濃度高、結構復雜，大多不易生物降解〔1, 2〕。其中酸性品紅是水溶性酸性染料的代表，其結構中含有對生物呈強抑制作用的苯環，很難采用生物化學方法將其降解成小分子。目前對印染廢水的處理主要集中在物理化學吸附、化學試劑氧化、膜處理、光催化氧化以及微生物降解處理等技術〔3, 4, 5, 6〕。這些方法大多因吸附劑再生困難、成本過高或廢水毒性等一系列問題，應用受到限制。

近來，生物質秸稈材料因來源豐富、成本低廉、對環境友好等特點而廣受關注。采用生物質秸稈制備改性材料和活性炭纖維是目前環境污染控制領域的研究熱點〔7, 8, 9〕。經高溫炭化秸稈材料制備出的比表面積大、吸附容量大的活性炭纖維，與目前常用的粉末或顆粒狀活性炭相比，可在更寬范圍內對污染物進行高效吸附。筆者將稻草秸稈經高溫炭化、ZnCl2 活化后制備成活性炭纖維材料，以酸性品紅模擬染料廢水污染物，考察各因素對活性炭纖維吸附性能的影響，并對該吸附過程的等溫吸附特征、吸附熱力學和動力學進行了系統研究，以期為活性炭纖維吸附處理水中酸性染料提供理論基礎。

1 試驗材料和方法

1.1 試劑與儀器

試劑：酸性品紅、HCl、NaOH、ZnCl2 均為分析純。試驗用水均為二次去離子水。

儀器：UV-2600 型紫外可見分光光度儀（天美科技有限公司）；P270 型普通搖床（中國科學院武漢科學儀器廠）；FUMAQYC200 型恒溫搖床（上海福瑪試驗設備有限公司）；101-2 型電熱鼓風干燥箱（江蘇省東臺縣電器廠）；pHS-25 型精密pH 計（上海雷磁儀器廠）；RX 型馬弗爐（武漢工力電爐有限公司）。

1.2 供試材料

稻草秸稈取自成都周邊鄉鎮，用自來水清洗后，在105 ℃下烘干，粉碎至粉末狀，高溫（450 ℃）炭化 1 h，冷卻至室溫，然后用10%HCl（體積分數）、10% NaOH（質量分數）和去離子水沖洗至炭化材料接近中性，在150 ℃下烘干，用質量分數為50%的活化劑 ZnCl2 溶液浸泡24 h（恒溫搖床，150 r/min，10 ℃），浸漬比為1∶2，重復沖洗過程至炭化材料呈中性，在 50 ℃下烘干，制得活性炭纖維，裝瓶備用〔10〕。

1.3 試驗方法

采用單因素吸附平衡試驗。在錐形瓶中先加入 50 mL 一定濃度的酸性品紅溶液，準確稱取一定質量的活性炭纖維投入錐形瓶內，然后置于恒溫搖床中于一定溫度下振蕩（150 r/min）。達到反應時間后取出樣品，靜置5 min，過濾，用分光光度法測定其上清液中酸性品紅的質量濃度，重復3 次。

式中：qt———t 時刻活性炭纖維對酸性品紅的吸附量，mg/g；

C0———溶液中酸性品紅的初始質量濃度，mg/L；

Ct———t 時刻上清液中酸性品紅的質量濃度， mg/L；

V———溶液的體積，L；

m———活性炭纖維的質量，g；

η———去除率，%。

2 吸附理論模型

2.1 等溫吸附模型

恒溫條件下固體表面發生的吸附現象，常用 Langmuir 和Freundlich 方程來表征其表面吸附量與介質中溶質平衡濃度之間的關系〔11, 12〕。

Langmuir 方程：

Freundlich 方程：

式中：qe———平衡時吸附劑對酸性品紅的吸附量， mg/g；

Ce———吸附平衡時溶液中酸性品紅的質量濃度，mg/L；

Qm———吸附劑的理論最大吸附量，mg/g；

k1———Langmuir 常數，L/mg；

k1———Freundlich方程中與吸附能有關的常數；

n———與表面覆蓋度有關的經驗常數。

2.2 吸附動力學模型

分別采用Lagergren 準一級動力學模型、準二級動力學模型和顆粒內擴散方程模擬介質對水中污染物的吸附動力學〔11, 12, 13〕。

準一級動力學方程：

將邊界條件t=0 時qt=0 及t=t 時qt=qt 代入式（5）定積分再轉化成常用對數后得到：

準二級動力學方程：

積分后其表達式為：

顆粒內擴散方程：

式中：qe———吸附劑對溶液中酸性品紅的平衡吸附量，mg/g；

qt———t 時刻吸附劑對溶液中酸性品紅的吸附量，mg/g；

t———吸附時間，min；

k1———準一級動力學速率常數，min-1；

k2———準二級動力學速率常數，g/（mg·min）；

k3———顆粒內擴散速率常數，mg/（g·min）。

2.3 吸附熱力學模型

通過Gibbs 方程計算吸附自由能（ΔG）、吸附焓變（ΔH）及吸附熵變（ΔS），以分析溫度對活性炭纖維吸附酸性品紅的影響〔14〕。由ΔG＝-RTlnk1=ΔH-TΔS，得到：

式中：k1———Langmuir 常數；

R———氣體常數；

T———絕對溫度，K；

ΔG———吸附自由能，kJ/mol；

ΔH———吸附焓變，kJ/mol；

ΔS———吸附熵變，kJ/（mol·K）。

3 結果與分析

3.1 活性炭纖維投加量對吸附性能的影響

吸附劑的投加量是一個重要參數，它決定了吸附劑對吸附質的吸附容量。為確定適宜的投加量，分別投加0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 g 活性炭纖維，對50 mL 質量濃度為50 mg/L 的酸性品紅溶液進行吸附，結果如圖 1 所示。

由圖 1 可知，隨著投加量的增加，活性炭纖維對酸性品紅的去除率也隨之升高，但投加量增大到一定程度（0.4 g）后，去除率變化不再明顯。這是因為吸附劑投加量增大到一定程度后，過量吸附劑不能被充分利用，產生空余吸附位，使得每單位吸附劑中吸附質的量逐漸降低。從去除率和單位吸附量兩方面綜合考慮，選擇0.1 g 為最適投加量。

圖 1 投加量對酸性品紅去除效果的影響

3.2 pH 對吸附性能的影響

因酸性品紅溶液在堿性范圍內會發生褪色〔15〕，所以在常溫、吸附時間為24 h 條件下，考察了溶液 pH 為1、2、3、4、5、6、7 時活性炭纖維的吸附性能，如 圖 2 所示。

圖 2 pH 對酸性品紅去除效果的影響

由圖 2 可見：pH 為1~2 時活性炭纖維對酸性品紅的吸附量顯著增加，pH=1 時達到最大。這是因為酸性品紅在酸性條件下分子負電性減弱，處于低電荷密度狀態，與同等條件下負電性也減弱的活性炭纖維之間存在一定的吸引作用〔16〕，因此吸附量升高。后續試驗均在pH=1 的條件下進行。

3.3 吸附時間對吸附性能的影響

在室溫（10 ℃）下向50 mL 質量濃度為50 mg/L 的酸性品紅溶液中投加0.1 g 活性炭纖維，吸附時間分別取0、0.5、1、2、4、6、8、10、12、24 h，結果見圖 3。

由圖 3 可見，在吸附初始階段吸附量急劇上升，這可能是由吸附劑與吸附質間的范德華引力造成的，表明此吸附過程是快速的物理吸附占主導的過程〔17〕。吸附2 h 后，吸附量上升減緩，此過程中吸附量約占平衡吸附量的1/4 左右，這是因為吸附劑上的活性位置被充分利用或由表面吸附引起的，屬于化學吸附占主導的吸附過程。吸附在8 h 后達到飽和，之后伴有微弱解析，并在12 h 后趨于平衡。后續試驗選擇吸附時間8 h 進行吸附研究。

圖 3 吸附時間對酸性品紅去除效果的影響

吸附過程的動力學可通過動力學模型〔式（6）、（8）、（9）〕對吸附飽和前數據進行擬合描述，從而推斷其吸附機理。用Microcal Origin 軟件對3 種動力學模型進行模擬分析，相應曲線和動力學參數見圖 4。

圖 4 動力學方程擬合曲線及相關參數

從擬合結果可以看出，活性炭纖維對酸性品紅的吸附動力學過程符合準二級動力學，表達式為 t/qt=21.798 1+0.010 9t。由準二級動力學模型可以計算出平衡吸附量qe=91.751 mg/g，與試驗值qexp= 89.911 mg/g（吸附達到飽和時的吸附量）相比較，數值很接近。二者相對誤差為2.046%。因此，可用準二級動力學模型描述活性炭纖維對溶液中酸性品紅的吸附行為。

3.4 初始質量濃度對吸附性能的影響

在室溫（10℃）下投加0.1 g 活性炭纖維于50 mL 不同質量濃度的酸性品紅溶液中，振蕩8 h 后，測定不同平衡質量濃度時酸性品紅在活性炭纖維上的平衡吸附量，考察初始質量濃度對吸附性能的影響，并用Microcal Origin 進行非線性回歸模擬，見圖 5。

圖 5 初始質量濃度的影響及模擬等溫吸附線

由圖 5 可見，在試驗考察的質量濃度范圍（50~ 400 mg/L）內，活性炭纖維對酸性品紅的吸附量基本呈現線性增長趨勢，說明稻草秸稈經炭化活化后，孔隙或吸附基團得到了改善，吸附容量較大，適合處理高濃度酸性品紅廢水。

圖 5 中，Langmuir 方程和Freundlich 方程均能較好地描述活性炭纖維對酸性品紅的吸附等溫特征，其擬合相關系數都在0.937 以上，說明該吸附過程屬于單層吸附和多層吸附同時發生的吸附行為。

根據Langmuir 方程模擬出常溫下的理論最大吸附量為110.824 mg/g，k1 為正值，表明吸附過程在試驗條件下可自發進行〔11〕。根據Freundlich 理論，活性炭纖維吸附表面是不均勻的，k2=27.877＞1，表明常溫下吸附容易進行，n=4.335，表明表面覆蓋度對吸附影響不大〔15〕。

3.5 溫度對吸附性能的影響

在3 個溫度（10、30、50 ℃）下用恒溫搖床振蕩一定時間，測定不同平衡質量濃度時酸性品紅在活性炭纖維上的平衡吸附量，應用Gibbs 方程〔式（10）〕對吸附熱力學進行分析〔14〕，見表 1。

由表 1 可知：ΔG 均為負值，表明吸附過程是自發進行的，與等溫吸附特性研究結論一致，而且ΔG 隨溫度的升高呈增加趨勢；ΔH 為正值表明吸附過程本身是吸熱的，說明高溫有利于吸附的進行；ΔS 為正值，表明在吸附過程中固液界面無序，混亂度較大，可能與升溫更有利于活性炭纖維與酸性品紅發生化學吸附有關。具體參見http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

4 結論

（1）經過450 ℃炭化并活化后的活性炭纖維在投加量為0.1 g 和pH=1 時對高濃度酸性品紅有較好的吸附能力；吸附在8 h 時達到平衡，隨后伴有較弱的解吸過程。

（2）活性炭纖維對酸性品紅的吸附動力學符合準二級動力學方程，由準二級動力學模型可以計算出活性炭纖維對酸性品紅的平衡吸附量91.751 mg/g，與試驗值89.911 mg/g 很接近。二者相對誤差為 2.046%。

（3）Langmuir 方程和Freundlich 方程均能較好地描述活性炭纖維對酸性品紅的吸附等溫特征。根據Langmuir 方程可知吸附過程在本試驗條件下能自發進行。根據Freundlich 理論可知活性炭纖維吸附表面是不均勻的，常溫下容易進行，且表面覆蓋度對吸附影響不大。

（4）由Gibbs 方程得出活性炭纖維吸附酸性品紅是自發進行的，吸附過程吸熱，吸附固液界面無序，且混亂度較大。