摘要

廣泛而容易獲得的自然資源對去除廢水中的有機染料非常重要。本文研究了甲基藍(MB)對jma矽砂(JSS)和甘蔗甘蔗渣灰(SCBA)水溶液的去除效果。XRD分析表明，JSS和SCBA均為結晶，但JSS的結晶尺寸為56.27 nm, SCBA的結晶尺寸為70.90 nm。此外，XRF結果證實JSS中的二氧化矽含量為98%，SCBA中的二氧化矽含量為71.5%。通過SEM和EDX對兩種材料的形貌和元素組成進行了表征。由於SCBA具有較高的孔隙率，其MB去除率(~99.14%)高於JSS(~93.75)。SCBA對MB的吸附符合Freundlich等溫線模型和準二級動力學模型，表明化學吸附。因此，SCBA具有高效、低成本和環保的特點，是一種很有前途的去除廢水中MB的吸附劑。

關鍵字

甘蔗蔗渣灰;Jemma砂;亞甲藍;吸附;廢水

簡介

純淨水是所有生物生存所必需的物質。在沒有水的情況下，生命無法維持幾天以上。除此之外，我們的每一項活動，如洗衣、衛生、洗澡、灌溉和空調都需要水。水在工業中的重要性是毋庸置疑的，特別是加工工業。然而，由於工業化的發展伴隨著向環境大量排放廢物，現在，特別是在發展中國家，可獲得的未受汙染的水的百分比越來越少。包括染色、印刷、橡膠、化妝品、紡織、皮革、造紙和塑料在內的許多行業都使用染料給產品上色，結果大約有10萬種商用染料，產量超過7×10⁵染料年產量達數噸[3-7]。這些工業利用了大量的染料，然後向水體排放大量的有色廢水。染料可分為陰離子、陽離子和非離子染料。亞甲基藍是一種陽離子染料，最常用於染色。飲用被MB汙染的水可能會導致嘔吐、休克、心跳加快、亨氏體形成、人體發紺、黃疸、組織壞死和四肢癱瘓[10]等疾病。為了克服這些健康問題，從工業廢水中去除MB是非常重要的。常用的淨化汙水的方法有化學沉澱法[11]、離子交換法[12-13]、化學混凝法[14]、河流滲透法[15]、電滲析法[16]、絮凝法[17]、生物修複法[18]、吸附法[19]。在這些方法中，吸附法由於不使用高度複雜的技術，而是使用本地可用的吸附劑，因此被廣泛應用於MB的吸附[20- 22]。一些常見的吸水性炭[23]，粘土[24]，沙子[25]，沸石[26]，椰子殼[27]，蛋殼[28]，甘蔗甘蔗渣[29]，稻殼[30]，石油廢物[31]，咖啡殼[32]，鋸末[33]，工業廢物[34]，化肥廢物[35]，粉煤灰[36]，殼聚糖[37]，藻類[38]，細菌[39]，酵母[40]，水果廢物[41-43]等。據我們所知，以蠶沙和甘蔗渣為吸附劑的比較研究尚未見報道。 In this work, the absorption efficiency of Jamma sand and Bagasse ash were compared. Some of the reasons why this work choice Jamma sand and Bagasse ash as absorbent are as follows: i) sugarcane bagasse ash is a sugar factory by product that are available everywhere, in addition to this, bagasse ash is rich in hydroxyl and phenolic groups which are very crucial for absorption of MB from waste water [44-46]. ii) Jamma Sand consists of small particles or grains of mineral, in other words, it have high surface areas, which is very important for absorption of MB [46-48]. Our experimental results revealed that absorption efficiency of bagasse ash is 99.14% and that of Jamma sand is 93.75%, such difference were due to the porosity of the bagasse ash higher than that of Jamma sand.

材料及製備方法

材料

本工作使用的原料是甘蔗甘蔗渣和Jemma二氧化矽，洗滌用蒸餾水和自來水。使用燒瓶、離心機、mortal、杵、60 μm篩。用亞甲基藍作為染料源。

製備方法

甘蔗蔗渣灰:原料甘蔗甘蔗渣來自埃塞俄比亞的元治糖廠。SCBA用蒸餾水清洗，在實驗室曬幹2天，用60 μm篩篩。

Jema矽砂:Jema砂采自埃塞俄比亞阿姆哈拉地區的Jema河流域，經過研磨和篩分，粒度小於60 μm。

材料特征

采用銅Kα輻射下的x射線粉末衍射(λCuKa=1.5418 Å)，掃描速度為3.0000(℃/min)，電壓(40 kV)，電流(30 mA)，測定了SCBA和JSS材料的相純度，並利用x射線熒光(XRF)了解了材料的元素組成和掃描範圍(10 ~ 80°)。采用掃描電鏡和能量色散x射線能譜分析吸附劑的表麵形貌，並采用400 ~ 4000 cm的傅裏葉變換紅外光譜(FTIR)對吸附劑表麵官能團進行識別^－1．用紫外可見分光光度計評價了兩種材料的吸收效率。

吸附實驗

用標準濃度的亞甲基藍在蒸餾水中製備亞甲基藍原液。然後，在典型平衡條件下進行了一係列吸附試驗，以優化吸附劑。對於每次吸附試驗，亞甲基藍的原液每窩用1克吸附劑處理。攪拌後，用紫外可見分光光度計對樣品進行分析。利用式1、式2計算吸附劑的去除率和吸附量，如下圖所示:

問_e= V (C_o- c_e) /米....................................( 1)

η(%)= (C_o- c_e) / C_o×100....................................( 2)

在哪裏問_e(mg/g)為平衡吸附容量，C_o是亞甲基藍的初始濃度，C_e(mg/L)為平衡時亞甲基藍的濃度，C_t為某一時刻亞甲藍的濃度，V為溶液體積，m為吸附劑質量，η(去除效率)按[49-52]計算。

結果與討論

XRD分析

SCBA和JSS的XRD譜圖如圖1所示。SCBA的XRD數據表明，2θ=21°、26.5°、51°、54.9°、60°角的衍射峰分別對應於(100)、(101)、(112)、(202)、(211)的晶相平麵，與標準二氧化矽(SiO)的XRD數據相吻合₂)[53]。除了這些主峰外，由於Al等其他化合物的存在，還出現了其他峰₂O_3.K₂啊,菲₂O_3.C₂O和Na₂O.同樣，JSS的XRD譜圖也顯示，2θ=21°、26.5°、39.5°、45.9°、51°、54.9°、60°角的衍射峰對應於(100)、(101)、(102)、(201)、(112)、(202)、(211)的結晶平麵，與二氧化矽(SiO)的標準XRD譜圖幾乎相似₂)．由於沒有其他化合物的存在，主峰清晰可見，其他峰均不高。根據這一結果，我們推測SCBA比JSS含有更少的二氧化矽。

圖1:SCBA和JSS的XRD譜圖。

根據scherrer方程3計算，SCBA和JSS顆粒的晶粒尺寸分別約為70.90 nm和56.27 nm。

D = Kλ/βcosθ…….............................. ( 3)

式中λ=0.15406 nm (x射線波長)，K=0.9 (Scherrer常數)，D=晶體尺寸(nm)， β=FWHM。

根據Scherrer公式計算，SCBA的結晶尺寸比JSS砂大。隨著粒徑的減小，材料的表麵積增加，促進了反應的快速，從而導致高吸附。根據這一解釋，我們將預測JSS將比SCBA有更高的吸附效率，因為更小的顆粒尺寸導致了較大的材料表麵積。但如圖2所示，SCBA的孔隙度要遠遠高於JSS。SEM結果表明，SCBA表麵比JSS表麵具有更多的孔隙性。

圖2:a) SCBA的SEM圖像b) JSS和c) SCBA的EDX光譜d) JSS。

光譜儀分析

為了了解材料(SCBA和JSS)中礦物質的化學組成。XRF結果列於表1。這些結果表明，矽在SCBA和JSS中都存在，但兩種材料中矽的含量不同。JSS的二氧化矽含量高於SCBA。因此，這兩種材料都被認為是矽基材料[51]。

表1:SCBA和傑瑪砂的化學組成。

SEM和EDX分析

圖2為SCBA和JSS的SEM和EDX結果。SCBA的形貌如圖2(a)所示，表麵孔隙較多，晶界較小。同樣，JSS的形貌如圖2(b)所示，表麵光滑，晶界較大。能量色散x射線(EDX)結果也顯示在圖2(c)和2(d)中。結果表明，SiO₂,艾爾。₂O_3.K₂啊,菲₂O_3.、CaO和Na₂在SCBA和JSS樣品中，檢測到以下元素:SiO₂,艾爾。₂O_3.K₂啊,菲₂O_3.,TiO₂和分別。SCBA和JSS的EDX元素分析結果表明，該材料中SiO含量較高₂和其他雜質一樣。

紅外光譜分析

SCBA和JSS的FTIR光譜如圖3所示，兩者的光譜幾乎相似，但峰值強度不同。在指紋區，光譜在1101 cm左右呈寬而強的波段^－1，表明Si-O-Si的抗對稱拉伸振動特性和在789 cm-1附近較弱的振動帶是由Si-O-Si對稱拉伸振動引起的。這些是二氧化矽的特征強帶，峰值在3440厘米左右^－1和1631厘米^－1這相當於吸附水分子中羥基(OH-)的拉伸。峰的銳度可以決定水量(H₂O)分子吸附在樣品表麵，進而可以用來估計樣品中羥基官能團的數量。觀察到JSS的帶銳度降低，這表明材料含有更少的鍵合H₂O分子。另一方麵，SCBA樣品有強烈的帶峰，這可能是由於更多的水分子吸附在表麵。因此，SCBA材料上存在大量羥基(-OH−)可以確定SCBA樣品有利於亞甲基藍的吸附。

圖3:SCBA和JSS的傅裏葉變換紅外光譜(FT-IR)。

吸附性能分析

接觸時間的影響:采用室溫、亞甲基藍初始濃度為10 ppm、吸附劑投加量(SCBA和JSS)為1 g/L的條件下，研究接觸時間為14 h (0 ~ 840 min)時對吸附亞甲基藍的影響，比較吸附劑的吸附能力和SCBA和JSS的去除效率。兩種SCBA對亞甲基藍的吸附一開始都非常快，這是因為吸附劑表麵存在大量的空缺活性位點，隨後SCBA樣品僅略有增加，最終達到平衡，如圖4所示。表麵和孔隙中大量活性位點的存在導致吸附過程迅速，而JSS樣品由於活性位點較少，吸附過程緩慢，吸附位點逐漸被占用。

圖4:接觸時間對SCBA和JSS去除效率的影響。

初始濃度的影響:亞甲基藍的去除率隨著亞甲基藍濃度從10ppm - 40ppm增加而降低[54,55]。這是因為，在亞甲藍初始濃度較低的情況下，許多吸附位點相對於被吸附物種的數量來說是較高的。另一方麵，在較高的初始濃度下，吸附劑的總有效吸附位點(SCBA)滿足吸附位點飽和，導致吸附效率下降。另一方麵，當亞甲基藍的初始濃度增加時，吸附量也增加，這是因為SCBA吸附劑的活性位點被更多的亞甲基藍包圍，導致從溶液中吸附出更多的亞甲基藍。因此，亞甲基藍初始濃度的增加導致吸光度的增加。圖5分別為染料濃度對SCBA和JSS的去除效率和吸附能力的影響。

圖5:接觸時間對SCBA和JSS去除效率的影響。

吸附劑質量的影響:吸附劑中不同濃度SCBA吸附亞甲基藍的量如圖6所示。吸附劑用量從0.4增加到1 g，吸附劑的吸附率增加。這是因為隨著吸附劑質量的增加，溶液中引入了更多的吸附位點。

圖6:染料濃度對SCBA和JSS去除效率和吸附能力的影響。

吸附等溫線的分析

在恒溫條件下，通過描述被吸附物的數量作為氣體或液體的函數來描述平衡行為的平衡模型稱為等溫線[57]。吸附等溫線模型是研究[58]吸附過程的基礎。吸附等溫線是確定物質吸附的主要依據。迄今為止，人們使用各種平衡模型來解釋吸附過程，如Langmuir、Freundlich、Temkin、slip、Hill、Radke-Prausnitz和floory - huggins等溫線，而表2中提到的Langmuir和Freundlich吸附等溫線是最常用的模型[58-62]。

表2:Langmuir和Freundlich等溫線模型的方程。

Langmuir模型假設去除金屬離子的吸附劑表麵是均勻平坦的，被吸附的分子或離子之間沒有相互作用。另一方麵，Freundlich模型假設吸附發生在非均質表麵。每個局部吸附位點都有其鍵能，較強的吸附位點先沉澱，直到吸附過程結束[57]。問在哪裏_e(mg/g)為平衡時的吸附量，q_馬克斯(mg/g)為吸附劑的最大吸附量，b (L/mg)為Langmuir吸附常數，C_e(mg/L)為平衡濃度K_F為Freundlich常數[(mg/g) (L/g)1/n]，表示吸附劑的結合能，n為吸附強度。圖7(a)給出了1/q的Langmuir等溫線圖_e對1 / C_e圖7(b)為LNQ分布圖_e對信號_e顯示了Freundlich等溫線模型。

圖7:(a) SCBA的Langmuir吸附等溫線和(b) Freundlich等溫線模型。

因此，從結果來看，Freundlich等溫線是最適合的模型，具有相關係數(R²)=0.64789，而不是具有相關係數(R²)在0.4849附近，離1很遠。

吸附動力學

吸附動力學研究在廢水修複中是至關重要的，因為它提供了有關過程性能、反應方式和吸附反應機理的重要信息。吸附過程多采用基於化學反應動力學的偽一階和偽二階動力學模型描述(表3)[62-64]。

表3:偽一階和偽二階動力學模型的方程。

圖8顯示了SCBA的偽一級(a)和偽二級動力學模型。在偽一階動力學模型中，q有很大的差異_eexp和q_e結果表明，SCBA對亞甲基藍的吸附不服從偽一級動力學_eexp和q_e，偽二階模型得到的CAL非常接近。此外，相關係數(R²)=0.87862，而擬二階動力學模型具有較高的相關係數(R²)=0.99975，因此可以確定偽二階是最適合SCBA的模型。

圖8:SCBA的偽一階(a)和偽二階動力學模型。

結論

比較研究了甘蔗甘蔗渣灰(SCBA)和傑瑪矽砂(JSS)對亞甲基藍的吸附性能。SCBA和JSS的吸附容量分別為99.14%和93.75.14%。掃描電鏡結果表明，SCBA比JSS具有更多孔的形貌，使SCBA具有較高的吸收能力。用Langmuir方程和Freundlich方程描述了平衡數據。而Freundlich等溫線模型是最適合的吸附等溫線數據。此外，動力學研究表明吸附遵循準二級動力學模型。因此，實驗結果表明，SCBA是一種活性吸附劑，具有較高的去除效率、成本效益和環境友好性，是一種潛在的去除廢水中亞甲基藍的吸附劑。

鳴謝

我們非常感謝材料科學與工程，阿達瑪科學與工程，阿達瑪，埃塞俄比亞對我們的支持。

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文章類型:研究文章

引用:Asefa MT, Lelisa W, Feyisa GB(2022)納米甘蔗甘蔗渣灰和傑瑪矽砂對廢水中亞甲基藍去除效果的比較研究。國際J水廢水處理8(1):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.181

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出版的曆史:

收到日期:2021年10月12日

接受日期:05年1月,2022年

發表日期:2022年1月18日