利用甘蔗蔗渣去除的有机染料废水

文摘

在目前的研究中,甘蔗蔗渣的潜力(渣打银行)评估了亚甲蓝(MB)保留。选择低成本吸附剂的特点是通过扫描电子显微镜(SEM)加上能量色散x射线能谱(EDX)、傅里叶变换红外光谱(FTIR),选择方法,确定零电荷点(pHzpc)。批动力学和等温研究进行检查接触时间的影响,最初的染料浓度、吸附剂剂量,pH值和温度。MB吸附的动力学研究结果表明,甘蔗蔗渣非常快;只有20分钟后达到平衡。pseudo-second-order的动力学模型和朗缪尔等温线模型完全解释MB与单层吸附过程的吸附容量等于49.261 mg·g⁻¹活化自由能(Δ等参数的值G°)、焓(ΔH°),熵(Δ年代°)也决定−4.35 kJ·摩尔⁻¹−31.062 kJ·摩尔⁻¹,−0.084 J·摩尔⁻¹·K⁻¹,分别。此外,亚甲蓝甘蔗蔗渣系统的热力学参数表明,放热吸附过程是自发的。

1。介绍

工业废水污染已经成为一个常见的问题在大多数国家(1)和近几十年来最大的环境问题之一。工业排放包括染料用于不同的领域,如印刷、食品、化妆品、和临床产品,但特别是在纺织工业(2]。这些有色废水的排放在自然界不仅影响人类和水中,但整个环境。可以找到超过1400万化工产品的环境;这个数字是逐渐增加对生物圈构成负面影响和威胁自然生态系统的平衡。事实上,有毒化工产品倾倒入水中基因毒性和诱变可能导致遗传性疾病,可以传递给未来的一代(3]。此外,这也将引发化学需氧量(COD)的增加和生化需氧量(BOD)抑制,减少光合作用和植物的增长速度(4]。在这种背景下,各种各样的物理、化学和生物技术已经开发和测试这些废水含有染料的治疗。因此,吸附是一个易于实现的技术,它被广泛用于水处理(5]。如今,吸附已被接受作为一个合适的去除技术,特别是发展中国家,由于其操作简单、再生的可能性。吸附过程可以被描述为“化学物种的趋势中存在一个阶段坚持到固体”(6]。在吸附科学技术,固体表面吸附网站提供被称为吸附剂,并在固体表面吸附的物质称为吸附物(6]。染料的去除等选择性吸附剂吸附低成本吸附剂(甘蔗蔗渣)如图1合成和测试了染料去除。

从文献,我们可以发现,活性炭的使用被认为是一种良好的吸附剂由于其高吸附有机物的能力。然而,活性炭不仅昂贵而且很难再生。在这方面,越来越多的研究人员的兴趣在过去几年中对吸附剂的使用从天然材料和准备一个基于有机相如纤维素、半纤维素、木质素含量(7]标记的效率和低成本和大量丰富在摩洛哥Lgharb地区等发展中国家。最近,一个很好的发表的研究文章数量的利用率低成本吸附剂来源于生物质等废水处理香蕉浪费,辣木种子和柠檬种子,吸管,棉花,和棕榈纤维;大米(栽培稻)和咖啡(阿拉比卡咖啡)皮浪费使用8- - - - - -10]。

因此,本研究旨在探讨MB染料去除效率使用具有成本效益的可持续固体生物质甘蔗蔗渣(渣打银行)吸附剂材料使用批处理和关闭电路在各种生化的过程条件下可适用在实际大规模工业处理操作。

2。材料和方法

2.1。材料

这些材料是亚甲蓝C₁₆H₁₈ClN₃99年代,食盐(氯化钠纯度,8%),氯化酸(盐酸纯度37%),氢氧化钠(氢氧化钠纯度98%),和甘蔗蔗渣(渣打银行)。

2.2。被吸附物

亚甲蓝(MB)是一种有机染料,是为本研究的选择非常高度的纯度(99%)。这是之前没有任何净化。其特点是分组表1。

2.3。吸附剂

甘蔗蔗渣El Ghareb地区是一个自然的浪费十分充裕,摩洛哥。甘蔗的甘蔗渣收集来自各种地方“蔗汁”厂商;然后,它是治疗如下:第一,多次清洗去除杂质,然后在烤箱干105°C的温度24 h,渗粒子大小的磨和等于250μm。

3所示。渣打银行的特征

吸附剂的物理和化学特性被认为拥有高水平的污染物去除效率(11]。这些特征将在以下部分讨论。

3.1。结构表征

测量孔隙直径的比表面和孔隙体积的渣打银行获得通过使用氮adsorption-desorption等温线曲线(尽快微粒学2010)使用Brunauer-Emmett-Teller(打赌)方法。形态分析是由扫描电子显微镜(SEM)类型(VEGA3 TESCAN)加上EDX和元素成分的定量分析渣打银行采用使用x射线能量色散谱(EDX)。

3.2。化学特性

分子的化学功能出现在渣打银行进行了分析通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)类型(日本岛津公司,JASCO 4100)。红外光谱被记录在一个波长范围的400和4000厘米⁻¹。的电荷零点pHzpc决心澄清净电荷是由渣打银行的表面。

3.3。吸附过程

批处理反应器吸附进行了测试,在环境温度;MB的彩色合成方案的存在吸附剂渣打银行是搅拌一个小时;和均化混合物是由一种瓶孵化器搅拌器(Jisico、模型J-NSIL-R)搅拌速度等于127 rpm。使用0.45 adsorbate-adsorbent分离了μ米直径Wothman-type过滤系统,上层清液吸光度是衡量一种紫外可见分光光度计(日本岛津公司1601)在一个波长对应的最大吸光度MB (λmax = 665)。然后,校准曲线的残余染料浓度决定了啤酒朗伯定律。

MB的吸附容量渣打银行是由下列公式计算: 在哪里问_t(mg·克⁻¹)是吸附在时间t(最小值),C₀和C_t(mg·L⁻¹)的初始浓度和浓度t染料,(左)溶液的体积,和米(g)是吸附剂的解决方案。

4所示。结果与讨论

4.1。吸附剂特性

以下4.4.1。氮Adsorption-Desorption等温线

氮adsorption-desorption等温线得到脱气后在77.35 K温度为80°C。这个赌注年代_打赌表面积决定使用Brunauer-Emmett-Teller(打赌)方程,在饱和孔隙体积是氮的数量对应于最高的相对压力的 = 0.99,孔隙直径计算的关系4副总裁/年代_打赌(12]。获得的氮adsorption-desorption等温线在甘蔗蔗渣粉如图2。

根据等温线的分类(IUPAC),这条曲线有一个s形形状,分为二型,经常发现在水果含糖量高13),这意味着媒介是无孔或大孔。获得的吸附等温式显示,渣打银行的无孔的结构;这是由结构测量确认分组表2。

4.1.2。扫描电子显微镜(SEM)

SEM图像(图3)说明了渣打银行的形态结构。

获得的观测表明,甘蔗蔗渣纤维结构,每个小学纤维具有结构紧凑,在纤维轴的方向一致,和甘蔗蔗渣表面光滑、连续14,15]。

4.1.3。能量色散x射线能谱(EDX)

的表面元素分析渣打银行(图4)显示不同的化学元素的存在,这些结果是分组表3。这揭示了重要的碳和氧的比例为51.10%和48.85%,分别比其他化学元素(年代,…),证实了我们的材料的有机性质(16),和高氧含量表明吸附剂的表面酸性更强。

4.2。傅里叶变换红外光谱(FTIR)

甘蔗蔗渣记录的光谱红外光谱学400至4000厘米⁻¹如图5。

图5表明,宽带在3412.92厘米⁻¹伸长振动有关的债券(地17),主要是由于纤维素分子的存在(18]。观察到峰值2922.93是归因于碳氢键伸长和CH的弯曲振动₃甲基(19]。峰值为1736厘米⁻¹是由于伸长的醛和酮的羰基20.]。1605年乐队是由于芳香族骨架伸长木质素结构中存在的振动(21]。1053.31厘米⁻¹乐队是由于拉伸振动在空间O = C-O-C化合物由于半纤维素的存在22,23),608.93厘米⁻¹带对应的弯曲模式芳香族化合物(24]。

4.3。确定电荷零点(ZPC)

像许多生化的变量如pH值、温度、和ZPC,后者被认为是一个重要因素,帮助决定的吸附能力biosorbent和结合位点的性质25,26]。在这项研究中,该方法包括准备的一系列20毫升5.10 - 2 M氯化钠溶液,调整后的初始pH值(酸碱度_我2和12之间)的值,通过添加盐酸(0.1米)或氢氧化钠(0.1米),渣打银行的0.2 g质量然后添加到不同的解决方案。剩下的在环境温度下搅拌48 h,直到最后的pH值(酸碱度_f)已经稳定。曲线的交点∆pH值(酸碱度_f−pH值_我)作为pH值的函数_我与x设在决定ZPC(图6)。

渣打银行的ZPC = 4.69,这表示,渣打银行是带正电的表面的pH值低于4.69和带负电荷的pH值高于4.69。低ZPC价值也表明吸附剂表面的酸性,这证实了元素化学成分的结果显示高氧含量(26]。

4.4。反应参数的影响

4.1.1。吸附量的影响

Biosorbent剂量染料去除过程中具有重要的作用[26]。这项研究是由不同质量的0.05和0.5 g之间的渣打银行,保持其他参数不变:环境温度、溶液pH值为6.4,一个初始的染料浓度25 mg·L⁻¹,127 rpm的搅拌速度。图7显示的影响吸附剂对染料去除量。

根据获得的结果,去除染料的比例增加而增加0.05克的吸附剂数量从80.27% 98.49% 0.5 g。这种现象是由于增加的比表面积和吸附网站的高可用性(1]。持续的研究中,我们选择了相当于0.2 g消除等于95.86%。选择数量减少的消费渣打银行一半的数量相比,0.5 g的百分比98.49%接近0.2 g。

10/24/11。接触时间的影响

实验在不同的接触时间和变化的MB吸附的渣打银行的功能接触时间(5 - 120分钟)是观察到当我们设置三个初始浓度的染料5、15、25 mg·L⁻¹如图8说明了。

结果表明,平衡时间独立于最初的染料浓度和吸附剂上的染料固定数量增加的接触时间。图8揭示了存在两个阶段在吸附MB的渣打银行:第一个是最快的5分钟,可以解释的存在高亲和力的阳离子染料和吸附剂之间(17),第二个是一个缓慢的阶段平衡逐渐达到20分钟后。这可能是由于活跃的站点支持的饱和度(27]。接触时间被设定为60分钟进行进一步的研究。

4.4.3。最初的染料浓度的影响

初始浓度的影响在其保留率MB的渣打银行在不同初始浓度,研究范围从5到100 mg·L⁻¹渣打银行的,一个恒定的质量0.2克(图在环境温度为60分钟9)。

图9显示的百分比MB去除低浓度增加,每月最高可获得97%的浓度25 mg·L⁻¹。这可以解释为活动网站的可用性远高于染料引入的数量。然而,在高浓度时,比例从97%降低到56%由于缺乏可用的活跃的网站。

4.4.4。pH值的影响

溶液的pH值在吸附过程中起着重要作用,因为它会影响吸附剂的表面电荷和分子状态的染料分子。换句话说,它中断的解决方案的化学染料和吸附剂的官能团。同时,似乎染料的吸附能力取决于溶液的pH值(25,28]。生物吸附能力的变化的渣打银行取消MB染料研究的pH值范围在2至12通过添加盐酸(氯化酸)纯度37%(0.1米)或氢氧化钠(氢氧化钠)纯度98%(0.1米),保持其他变量不变(0.2 g / 50毫升biosorbent剂量,温度25°C, 127 rpm,和60分钟接触时间)。图10显示了pH值的解决方案对染料去除的影响。

结果表明,基本的pH值是有利于消除MB。渣打银行的最佳pH值最大的染料去除被发现10(染料去除= 99.30%)。

4.4.5。离子强度的影响

废水包含各种元素,如盐、有机和金属离子。这些离子的存在的原因是高离子强度影响吸附过程的性能显著(29日]。这个参数的影响研究上的吸附现象是通过添加变量进行大量的氯化钠(氯化钠纯度99.8%)的浓度范围从0到0.1的解决方案染料初始浓度的25 mg·L⁻¹和0.2 g的吸附剂的质量。初始浓度的影响的生理盐水切除MB的速度由渣打银行图所示11。

根据这些结果,我们注意到一个伟大的减少染料的消除率随着氯化钠浓度的增加从93.63%降至77.71%。以上浓度为0.04 M氯化钠,总有减少,但税率很低。这种现象可以归因于这样一个事实:Na +离子积累更多的表面,因此屏幕旁边固定网站(30.]。

4.4.6。温度的影响

温度对吸附现象的影响是通过添加0.2克/ 50毫升的渣打银行的解决方案MB 25 mg / L的浓度,温度变化15至75°C(图12)。

图11表明,渣打银行的MB去除率从98.75%减少到89.22%,增加温度从15到75°C。这种减少可以解释为吸附的毁灭网站(31日),这意味着温度的增加吸附机制造成不利影响,因此,在本质上反应是放热的。

4.5。动力学研究

从渣打银行MB吸附动力学数据建模的三种模型:符合一级,pseudo-second-order, intraparticle扩散。

符合一级动力学模型,评价Lagergren关系(32》,是由以下方程描述:

集成后的边界条件问_t= 0t= 0和问_t=问_t来t=t,方程变得

在平衡吸附量问_e和速度常数k₁得到的曲线的截距和斜率ln (问_e−问_t)与时间t,分别。

布兰查德的模型允许我们定义的应用在吸附过程中反应的pseudo-second-order [33]:

积分方程的边界条件问_t= 0时t= 0和问_t=问_t在t=t给了

在平衡吸附量问_e和速度常数K₂分别确定的斜率和截距的起源吗t/问_t曲线作为时间的函数t。

intraparticle扩散(内部运输)也用于确定扩散机制。它是由以下方程:

通过跟踪问_t的函数t^1/2的常量K_id和C分别推导出的斜率和截距。

最好的模型来描述吸附动力学是最高的R²线性回归系数。

图13介绍了t/问_t在时间的函数曲线t在不同的初始浓度MB pseudo-second-order MB吸附模型由渣打银行和显示改进的线性。

表4总结的结果由渣打银行3 MB的吸附动力学模型。根据这个表,吸附动力学与pseudo-second-order模型和描述完全intraparticle扩散模型,用相关系数等于1 pseudo-second-order intraparticle扩散模型动力学模型和0.96;计算值的平衡吸附量问_e,卡尔非常接近实验值问_e,_经验值。另一方面,符合一级模型表示一个贫穷的相关性。速度常数K₂显示,保留MB的渣打银行相当快(27]。

4.6。吸附等温线

吸附等温线的一些重要的角色,他们允许的描述吸附质与吸附剂,说明积累吸附剂上的吸附物的类型,并分析了吸附平衡(34]。实验数据的MB吸附等温线在渣打银行使用两个模型建模:朗缪尔模型和弗伦德里希所示的模型。

4.7。朗缪尔模型

朗缪尔吸附的模型假设,来自于单层均匀表面上被吸附物的覆盖;也就是说,一旦染料分子在网站,没有进一步吸附可以发生在那个网站(35),说明

该模型具有以下方程的线性变换(36]:

与和(mg·克⁻¹)在平衡吸附量和最大吸附量在单层饱和,(mg·L⁻¹)是平衡浓度K_l(L·毫克⁻¹)是朗缪尔常数。

通过跟踪 根据 ,朗缪尔模型检查如果一条直线的斜率 和协调在原点 是获得。

我们可以检查是否吸附是有利的平衡参数R_l作为

不可逆吸附(R_l= 0),有利(0 <R_l< 1),线性(R_l= 1)和不利的(R_l> 1)(37]。

4.8。弗伦德里希模型

弗伦德里希的模型是基于一个经验方程用于模型能量异构表面吸附等温线(38]。它是由以下关系[表示39]: 在哪里问_e(mg·克⁻¹平衡吸附量,K_F和n弗伦德里希的常数,然后呢C_e(mg·L⁻¹)是溶质的平衡浓度。

这种关系可以的对数模型验证其线性变换(36]:

的值和n确定实验的图吗根据lnC_e。

MB的吸附等温线的25°C的渣打银行提出了根据朗缪尔模型(图14(图)和弗伦德里希模型15)。

表5礼物的价值根据朗缪尔吸附平衡参数和弗伦德里希模型。

根据这些结果,朗缪尔模型的相关系数= 0.98,因为它是接近弗伦德里希相关系数为0.97。这意味着MB吸附的过程通过渣打银行是完全被朗缪尔和弗伦德里希模型和分离系数 表明吸附是有利的。

4.9。热力学研究

Δ焓等热力学参数H°,熵Δ年代°,自由焓ΔG15°计算在不同的温度下,35岁,55岁和75°C的反应来描述MB吸附由渣打银行从下面的方程40]:

分布系数;(mg·克⁻¹)是在平衡吸附量;R理想气体常数和吗T(K)溶液的温度;和(mg·L⁻¹)是平衡浓度。

热力学参数扮演了一个重要的角色,因为他们提供信息的自发性和endo -或吸附过程的放热性和随机性的增加或减少在固液界面(41]。

的情节1 /的函数T(图16)给slope-Δ的直线H°/R和一个在原点Δ拦截年代°/ R。获得的结果分组表6。

这些结果表明,MB在渣打银行的吸附过程是放热的,可以限定为物理吸附自Δ的价值H40°和负面大于−kJ·摩尔⁻¹;Δ的负值年代°表明染料的分子在固体/液体界面组织比在溶液中,因此分子减少障碍。负的ΔG°表明吸附是自发的,这些值的增加随着温度的增加从15到75°C表明吸附减少的可行性在升高的温度下(42]。

5。结论

MB的吸附过程在渣打银行是本研究的目的。获得的结果表明,MB的去除率从80.27%增加到98.49%,吸附剂的质量的增加从0.05克到0.5 g由于比表面积的增加。观察的最大去除染料pH值10和吸附过程达到平衡60分钟。接触时间效应表明,平衡时间是独立的初始MB浓度,吸附后很快5分钟,达到平衡时间为20分钟。另一方面,消除的速率随温度增加。因此,发生放热反应。

动力学和等温吸附机理的研究是完全被pseudo-second-order动力学和朗缪尔和弗伦德里希模型完全的吸附在渣打银行MB。最后,热力学的研究表明,吸附MB的渣打银行是放热的,可行的,自发的。

最后,渣打银行发现好biosorbent MB移除这使得它一个伟大的替代治疗废水、染料废水,尤其是今天,因为我们需要保护环境使用环保流程是这样的。

数据可用性

生成的数据集和/或分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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