Ce/壳聚糖/粉煤灰复合吸附剂的制备及其对直接染料的吸附

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本实验以取自内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司的粉煤灰(fly ash,FA)为原料,通过与壳聚糖(chitosan,CTS)和六水合硝酸铈(Ce(NO33·6H2O)进行反应制得了Ce/壳聚糖/粉煤灰(Ce/CTS/FA)复合吸附剂,探究了原料配比、原料投加顺序、搅拌时间和搅拌温度等制备条件对吸附剂性能的影响,结合FA和Ce/CTS/FA复合吸附剂的SEM、EDS、FT-IR、XRD、比表面剂及孔径等表征进一步了解吸附机理,并将优化条件下制得的Ce/CTS/FA复合吸附剂分别应用于处理直接蓝2B和直接湖蓝5B两种染料溶液,详细探讨了吸附条件对吸附性能的影响,研究了吸附动力学和吸附热力学,具体研究结果如下:(1)首先按质量比(m(FA):m(CTS)=7.5:1)将2%CTS醋酸溶液与FA混合,于60℃下搅拌90min即得CTS/FA复合吸附剂,然后按质量比(m(FA):m(CTS):m(Ce)=7.5:1:1)将CTS/FA复合吸附剂与Ce(NO33·6H2O溶液混合,于60℃下继续搅拌30min,在110℃下烘干,研磨过250目筛即得Ce/CTS/FA复合吸附剂,并将其分别应用于处理直接蓝2B和直接湖蓝5B两种染料溶液,吸附量分别可达1134.01mg/g和619.53mg/g,均具有很好的吸附效果。(2)通过对FA和Ce/CTS/FA复合吸附剂的SEM、EDS、FT-IR、XRD和比表面积及孔径等表征数据进行分析可知:原状粉煤灰为表面光滑的分散型球型颗粒和一些不规则的细小颗粒,相比于原粉煤灰,Ce/CTS/FA变为表面粗糙、部分球型颗粒间和球型颗粒与不规则细小颗粒间粘连聚集,使比表面积和孔容稍微减小,且Ce和CTS均已成功负载于FA上。(3)通过实验探究,获得了Ce/CTS/FA复合吸附剂对直接蓝2B和直接湖蓝5B两种染料溶液吸附的最佳实验条件为:在Ce/CTS/FA复合吸附剂的投加量为0.1g,染料溶液的pH值为2.0,吸附温度为298K,吸附平衡时间为90min,振荡频率为180r/min时,Ce/CTS/FA复合吸附剂对两种染料的吸附效果最佳,其中,对直接蓝2B的平衡吸附量为1134.01mg/g,对直接湖蓝5B的平衡吸附量为619.53mg/g。Ce/CTS/FA复合吸附剂对两种染料的吸附过程在不同温度(298328K)下均符合拟二级吸附速率方程,且达到极显著性相关,二级吸附速率常数k2值与吸附温度成反比,说明吸附过程放热。从吸附开始到60min时间内,Ce/CTS/FA复合吸附剂对两种染料的吸附主要受颗粒内扩散控制,同时还受颗粒外扩散过程控制。由Arrhenius方程计算得到的复合吸附剂对直接蓝2B和直接湖蓝5B两种染料的吸附活化能Ea值分别为2.81kJ/mol和3.14kJ/mol。(4)Ce/CTS/FA复合吸附剂对两种染料的等温吸附研究表明:吸附剂对两种染料在不同温度下的等温吸附数据更符合Langmuir等温吸附方程,且拟合结果均达到了极显著相关,最大饱和吸附量分别为1111.11mg/g(直接蓝2B)和625.00 mg/g(直接湖蓝5B);并且在不同温度下(298328K),Langmuir吸附系数b值均随温度的升高而逐渐减小,说明吸附剂对两种染料的吸附均为放热反应。由Langmuir方程定义的平衡参数分离因子RL值分别介于0.00110.0025(直接蓝2B)和0.00250.0083(直接湖蓝5B)之间,说明两种染料易被Ce/CTS/FA复合吸附剂吸附。(5)吸附热力学研究表明:Ce/CTS/FA复合吸附剂对直接蓝2B的吸附自由能变ΔG值介于-29.66-31.36kJ/mol之间,焓变ΔH值为-12.97kJ/mol,熵变ΔS值为0.057J/mol/K,对直接湖蓝5B的吸附自由能变ΔG值介于-28.50-29.80kJ/mol之间,焓变ΔH值为-15.17kJ/mol,熵变ΔS值为0.044J/mol/K,说明Ce/CTS/FA对两种染料的吸附过程均为自发的放热过程,并且吸附主要为物理吸附。通过简单易行的方法获得了一种高效、低廉、绿色环保且吸附性能较强的Ce/CTS/FA复合吸附剂,其对直接蓝2B和直接湖蓝5B两种染料具有很好的吸附能力,对净化处理高浓度染料废水具有可行性。
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