TiO2@酵母菌復合催化劑對剛果紅的吸附特性研究

　　1 引言

　　目前，染料廢水已經(jīng)成為世界公認的嚴重工業(yè)污染源.吸附法是處理染料廢水較為經(jīng)濟、簡(jiǎn)便的方法之一.依靠過(guò)程集成或過(guò)程強化來(lái)提升吸附技術(shù)是進(jìn)一步的發(fā)展重點(diǎn).在所報道的技術(shù)中，吸附劑的原位再生技術(shù)尤其引人注目.例如，將光催化技術(shù)與各種吸附基質(zhì)，諸如SiO2、玻璃纖維、沸石、粘土等耦合，TiO2光催化分解有機物的功能與各種基質(zhì)的吸附性性能可產(chǎn)生顯明的協(xié)同效應，其作用基礎是加強TiO2光催化分解有機物的反應效率，促使吸附基質(zhì)的吸附位獲得原位再生，復合催化劑得以循環(huán)利用.目前，代表性的研究包括，如Khan等(2002)等利用天然氣焰氧化鈦金屬薄膜層制備了TiO2@活性炭，對多種污水特別是難降解的污水都有很好的處理效果;Irie等(2003)通過(guò)氧化TiC制得了TiO2@C，實(shí)驗表明該材料對農藥異丙隆具有較好的去除效果.

　　酵母菌具有價(jià)廉、易得、環(huán)境友好的特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的吸附劑.研究表明，酵母菌不僅可用來(lái)吸附處理含重金屬離子的廢水，而且也可用于吸附處理染料廢水.近年來(lái)，進(jìn)一步的以酵母菌為載體，通過(guò)負載納米TiO2，使得酵母菌的生物吸附功能和納米TiO2光催化降解有機物的功能在微觀(guān)尺度上得到耦合.例如，該復合催化劑對陽(yáng)離子染料亞甲藍水溶液展現出了很好的去除能力.除了陽(yáng)離子染料，陰離子型染料在偶氮染料中也占有很大的比例.剛果紅是一種典型的陰離子染料.作為一種具有代表性的聯(lián)苯胺類(lèi)直接偶氮染料，剛果紅被廣泛應用于紡織、造紙和印染等工業(yè).在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，殘留的剛果紅易進(jìn)入水體，對環(huán)境的危害大.因此研究能夠有效處理水體中殘留剛果紅的技術(shù)是該染料產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需解決的行業(yè)問(wèn)題之一.

　　基于上述考慮，本文對TiO2@酵母菌復合催化劑吸附陰離子染料剛果紅廢水的過(guò)程進(jìn)行了研究.主要考察了影響吸附的主要因素，并對吸附機理、吸附動(dòng)力學(xué)、吸附等溫線(xiàn)及熱力學(xué)參數進(jìn)行了研究.研究結果對染料廢水特別是陰離子染料廢水的處理研究具有重要的參考價(jià)值，并且對解決我國染料行業(yè)嚴峻的水污染問(wèn)題具有重要的現實(shí)意義.

　　2 實(shí)驗部分

　　2.1 材料和儀器

　　材料：酵母菌，河北安琪酵母有限公司;TiO2(P25)，德國德固賽公司; 硫酸(H2SO4)，氫氧化鈉(NaOH)，西安化學(xué)試劑廠(chǎng); 無(wú)水乙醇，安徽安特生物化學(xué)有限公司;實(shí)驗用水為蒸餾水.

　　主要儀器：752N紫外可見(jiàn)分光光度計，上海精密科學(xué)儀器有限公司;TDL-60B-W 臺式高速離心機，湖南星科儀器有限公司;TE124S 電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;多功能磁力攪拌器，杭州儀表電機廠(chǎng);101-1AB 恒溫干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司等;pH酸度計，上海精密儀器廠(chǎng).

　　2.2 TiO2@酵母復合催化劑的制備

　　稱(chēng)取250 mg 的干酵母菌，分別用蒸餾水和無(wú)水乙醇清洗3次，離心，將所得酵母細胞沉淀分散于 40 mL蒸餾水中，通過(guò)滴加 H2SO4(1 mol · L-1)調節懸浮液 pH值為 2~3.稱(chēng)取20 mg TiO2粉末將其分散在40 mL 蒸餾水中使其溶解，通過(guò)滴加 NaOH(1 mol · L-1)調節懸浮液 pH 值為 9~10.將所得的兩種懸浮液分別攪拌30 min后，離心分離并將沉淀物置于 40 mL 蒸餾水中混合攪拌，測 pH值為 5左右.并攪拌 1 h，使二者充分接觸，陳化 3 h，再經(jīng)高速離心分離.分離所得固體樣于 80 ℃下恒溫干燥以后，并在室溫下使其冷卻，即可得到所需的TiO2@酵母復合催化劑.

　　2.3 實(shí)驗方法

　　在各實(shí)驗中分別稱(chēng)取一定量復合催化劑于5 個(gè)250 mL的燒杯中，各加入一定濃度的100 mL陰離子剛果紅溶液，在相同的反應條件下進(jìn)行磁力攪拌，實(shí)驗分別考察溶液的不同pH、不同催化劑添加量、溶液不同初始濃度以及不同溫度對吸附效果的影響.實(shí)驗在變化某一種因素的同時(shí)其他因素均相同的條件下進(jìn)行.

　　實(shí)驗均定時(shí)取樣進(jìn)行分析，在3500 r · min-1的條件下離心 5 min，取上清液在紫外可見(jiàn)分光光度計下進(jìn)行測定，記錄吸光度值，并通過(guò)標準曲線(xiàn)算出剛果紅濃度的變化，求出不同時(shí)刻的吸附量及最大吸附量.實(shí)驗中樣品均做平行試驗，實(shí)驗數據為平均值.

　　3 結果與討論

　　3.1 吸附的影響因素研究

　　3.1.1 溶液 pH對吸附的影響

　　剛果紅為酸性染料，pH值對其顏色變化影響很大.本實(shí)驗在剛果紅初始濃度為20 mg · L-1，溫度為 20 ℃，催化劑投加量為0.5 g · L-1，磁力攪拌速度為 200 r · min-1的條件下進(jìn)行，分別用 HCl和NaOH調節溶液 pH值為 3、5、7、9、11，考察 pH值對復合催化劑去除剛果紅效果的影響.

　　由圖 1可看出，溶液 pH對吸附效果影響顯著(zhù)，吸附在酸性條件下和堿性條件下去除率有明顯差異.當 pH值為 3時(shí)，去除率可達到 95.7%，隨著(zhù) pH值的增大，去除率明顯降低，在 pH值為11時(shí)幾乎不吸附.這是由于酵母的等電點(diǎn)為 3.3(Xu et al., 2011).當 pH值小于 3.3時(shí)酵母表面帶正電，正好與陰離子剛果紅正負電荷相吸，吸附作用增強.當 pH值大于3.3時(shí)，羧基逐漸離解成COO—，酵母菌表面所帶負電荷數量增加，與陰離子剛果紅電荷相斥，從而吸附效果明顯減弱.而隨著(zhù)pH的增大，溶液中—OH增多，更加抑制了吸附的進(jìn)行.因此，TiO2@酵母復合催化劑吸附剛果紅的最佳 pH應選擇為3.

　　圖 1 溶液pH對TiO2@酵母菌對剛果紅吸附的影響

　　3.1.2 剛果紅初始濃度對吸附的影響

　　相同條件下，將 pH調節為 3，考察剛果紅的初始濃度對吸附效果的影響.圖 2所示為不同初始濃度的剛果紅在不同時(shí)間的單位吸附量.可以看出，在相同時(shí)間內，隨著(zhù)剛果紅質(zhì)量濃度從 10 mg · L-1增加到 50 mg · L-1，催化劑對剛果紅的單位吸附量則從 19.3 mg · g-1增加到 99.7 mg · g-1，且去除率均達到了 98%以上.這是因為隨著(zhù)剛果紅質(zhì)量濃度的增加，酵母菌表面的吸附位點(diǎn)被更多的剛果紅離子包圍，從而催化劑對剛果紅的吸附效果增強，從而在吸附平衡，催化劑的單位吸附量增大.

　　圖 2 溶液初始濃度對TiO2@酵母菌對剛果紅吸附的影響

　　3.1.3 催化劑添加量對吸附的影響

　　相同條件下，投加不同的TiO2@酵母菌催化劑量分別為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 g · L-1，考察催化劑投加量對吸附效果的影響.隨著(zhù)投加量的增加，催化劑對剛果紅的吸附總量則隨之增加.當催化劑投加量分別為1.00、1.25 g · L-1時(shí)，該催化劑吸附平衡時(shí)對剛果紅的吸附總量可達 20 mg · g-1，剛果紅幾乎可被完全去除;而當吸附劑的投加量為 0.25 g · L-1時(shí)，反應時(shí)間內吸附劑對剛果紅的去除率不足 50%.這是因為當催化劑投加量越大時(shí)，為剛果紅離子提供的比表面積越大，吸附位點(diǎn)越多，從而吸附總量越大.另外，雖然催化劑投加量增大時(shí)吸附總量也隨之增大，由圖 3還可看出，當催化劑投加量過(guò)大時(shí)，如 1.25 g · L-1，吸附平衡時(shí)催化劑的單位吸附量卻很小(0.15 mg · g-1)，催化劑的利用率降低.當催化劑投加量為 0.50 g · L-1時(shí)，吸附總量相對較高，而且單位吸附量也相對較高.

　　圖 3 不同催化劑添加量對TiO2@酵母菌對剛果紅吸附的影響

　　3.1.4 溫度對吸附的影響

　　在維持其他因素不變的條件下，調節反應溫度在 20~60 ℃之間.如圖 4所示，溫度變化對催化劑吸附剛果紅的去除率影響很小，在一定時(shí)間內均能達到 98%以上，同時(shí)去除率隨溫度升高有上升的趨勢，這就表明該吸附過(guò)程可能是吸熱反應.隨著(zhù)溫度的升高，溶液中分子擴散加劇，從而吸附效果增強.實(shí)驗也表明該催化劑對去除剛果紅染料有很強的溫度適應性，在20~60 ℃的溫度范圍內，均能達到很好的去除效果.

　　圖 4 溶液不同溫度對TiO2@酵母菌對剛果紅吸附的影響

　　3.2 吸附動(dòng)力學(xué)研究

　　吸附動(dòng)力學(xué)研究主要用來(lái)描述吸附劑吸附溶質(zhì)的速率，吸附速率控制了吸附質(zhì)在固-液界面上的停留時(shí)間.實(shí)驗通過(guò)改變催化劑的投加量，利用準一級動(dòng)力學(xué)、準二級動(dòng)力學(xué)模型對TiO2@酵母菌復合催化劑吸附剛果紅的動(dòng)力學(xué)機理進(jìn)行探討，這兩種模型的線(xiàn)性表達式如下:

　　式中，qe和qt分別表示單位吸附劑的平衡吸附量以及在t 時(shí)間時(shí)的瞬時(shí)吸附量(mg · g-1).而k1和k2分別由ln(qe-qt)對應 t和t/q對應 t 作圖得到.

　　對催化劑吸附剛果紅的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合，得到不同催化劑投加量條件下的模擬圖(見(jiàn)圖 5)以及吸附動(dòng)力學(xué)參數(見(jiàn)表 1).表中 qcal為單位吸附量的計算值，R2為可決系數.

　　表 1 不同催化劑投加量下的吸附動(dòng)力學(xué)參數

　　圖 5 不同催化劑投加量的吸附動(dòng)力學(xué)(a. 一級方程的線(xiàn)性擬合; b. 準二級方程的線(xiàn)性擬合)

　　從圖 5可看出不同催化劑投加量下的擬合效果，圖 b中的線(xiàn)性關(guān)系明顯優(yōu)于圖 a，由表 1中的數據可看出，一級動(dòng)力學(xué)的可決系數 R2最優(yōu)為 0.902，其余都不超過(guò) 0.900，而準二級動(dòng)力學(xué)模型中的 R2均在0.900以上，且最小為 0.974，這也證實(shí)實(shí)驗中在不同催化劑投加量下的吸附動(dòng)力學(xué)模型更接近于二級動(dòng)力學(xué)模型，表明本實(shí)驗中的吸附主要是化學(xué)吸附.同時(shí)，隨著(zhù)催化劑投加量的增加，吸附速率常數也隨之增加，說(shuō)明投加量的增加促進(jìn)了吸附的進(jìn)行.

　　3.3 吸附等溫線(xiàn)

　　吸附等溫線(xiàn)是用來(lái)描述固相吸附劑和液相中剛果紅離子之間平衡關(guān)系的模型，從而可得吸附劑的最大吸附量和一些動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的相關(guān)參數，有助于對吸附機理更好的理解.常用的有 Langmuir和Freundlich吸附等溫線(xiàn)模型.Langmuir模型假設吸附過(guò)程是單分子層吸附，表達式如下：

　　其中，Ce為溶液中的吸附平衡濃度(mg · L-1);qe為平衡吸附量(mg · g-1);qm為吸附劑的最大吸附量(mg · g-1);KL為親和常數.對Langmuir 等溫式來(lái)說(shuō)，吸附有利與否可采用無(wú)量綱因子RL來(lái)判斷.

　　Freundlich是一個(gè)經(jīng)驗方程，假設吸附過(guò)程是多相吸附，表達式如下：

　　式中，KF為吸附劑的吸附能力常數;1/n為非均勻性因素，通常認為 n>1時(shí)有利于吸附.

　　在相同的溫度下，改變剛果紅的初始濃度，按實(shí)驗方法操作，測定平衡濃度和平衡吸附量，擬合吸附等溫曲線(xiàn)，結果見(jiàn)圖 6和表 2.

　　圖 6 吸附等溫曲線(xiàn)

　　表 2 Langmuir、Freundlich 等溫吸附方程參數

　　從圖 6可看出，與 Freundlich 模型相比，Langmuir 模型擬合效果更好，從表 2中也可看出，Langmuir模型的可決系數R2為 0.998，而 Freundlich 模型的R2為 0.805，表明吸附劑對溶液剛果紅離子的吸附更符合 Langmuir模型，即為單分子層吸附理論，且不管在低濃度還是高濃度情況下，以 Langmuir 模型擬合所得出的結果均能夠很好地與吸附實(shí)驗實(shí)測結果相符.從表 2 中還可以看出，01為有利于吸附，所以剛果紅離子容易吸附在該復合催化劑的表面.

　　3.4 吸附熱力學(xué)

　　吸附過(guò)程中，反應能否自發(fā)進(jìn)行的參考因素是能量和熵的變化.熱力學(xué)常數例如Gibbs自由能變(ΔG)、焓變(ΔH)和熵變(ΔS)可通過(guò)下列方程計算：

　　式中，R為氣體常數(8.314 mol-1 · K-1);T為熱力學(xué)溫度.另外，ΔH和ΔS可分別通過(guò)ln(qe/Ce)對應1/T線(xiàn)性擬合的斜率和截距求得.分析結果見(jiàn)表 3.

　　表 3 熱力學(xué)方程參數

　　由表 3可以看出，在4個(gè)溫度下，吉布斯自由能變量ΔG均為負值，因此，該吸附劑對剛果紅的吸附反應是自發(fā)進(jìn)行的.隨著(zhù)溫度的升高，ΔG逐漸降低，表明高溫更有利于吸附.TiO2@酵母微球體表面吸附了大量的剛果紅，剛果紅周?chē)�的水分子數量越少，自由水分子就越�?因此，正值的ΔS說(shuō)明了TiO2@酵母微球體表面吸附剛果紅時(shí)的固-液界面的混亂度是增加的.正值的焓變ΔH進(jìn)一步證實(shí)了該吸附過(guò)程是吸熱過(guò)程.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結論

　　1)TiO2@酵母復合型催化劑能較好的處理陰離子剛果紅染料，吸附效果受溶液 pH影響較大，最佳 pH為3左右;同時(shí)也受溶液初始濃度、催化劑投加量等因素的影響，而溫度升高能夠促進(jìn)吸附的進(jìn)行，但是影響相對較小.

　　2)復合催化劑吸附陰離子染料剛果紅的吸附動(dòng)力學(xué)符合準二級吸附動(dòng)力學(xué)模型，該吸附類(lèi)型主要是化學(xué)吸附.隨著(zhù)催化劑投加量的增加，吸附速率常數也隨之增加.

　　3)復合催化劑吸附陰離子染料過(guò)程可用 Langmuir和Freundlich等溫吸附模型來(lái)描述，但吸附過(guò)程更符合 Langmuir等溫吸附模型.01表明該吸附過(guò)程容易進(jìn)行.

　　4)復合催化劑吸附陰離子染料過(guò)程中吉布斯自由能變量ΔG為負值，說(shuō)明該吸附過(guò)程是自發(fā)進(jìn)行的，而焓變ΔH為正值，說(shuō)明該吸附反應為吸熱過(guò)程.