改性香蕉皮對(duì)酸性品紅的吸附研究

胡巧開　余中山　陳 芳

1湖北師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院 （湖北黃石　435002）2污染物分析與資源化技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （湖北黃石　435002）3湖北師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 （湖北黃石　435002）

科研開發(fā)

改性香蕉皮對(duì)酸性品紅的吸附研究

胡巧開1,2余中山1，2陳 芳3

1湖北師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院 （湖北黃石435002）2污染物分析與資源化技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （湖北黃石435002）3湖北師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 （湖北黃石435002）

摘要以改性香蕉皮為吸附劑，對(duì)酸性品紅模擬印染廢水進(jìn)行吸附脫色處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：香蕉皮的最佳改性劑為硫酸，最佳改性條件為2 mol/L硫酸、硫酸與香蕉皮液固比3∶1、改性30 min；改性香蕉皮吸附酸性品紅的實(shí)驗(yàn)中，攪拌速度和吸附時(shí)間是影響脫色率的兩個(gè)重要因素，最佳吸附條件為：100 mL初始質(zhì)量濃度為30 mg/L的酸性品紅溶液，吸附劑用量為0.5 g、攪拌速度100 r/min、吸附2 h，此時(shí)酸性品紅廢水的脫色率為77.12%，脫色后模擬廢水的稀釋倍數(shù)為40倍，低于《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4287—2012）中的排放限值；等溫吸附實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，改性香蕉皮對(duì)酸性品紅的吸附用弗羅因德利希吸附等溫方程擬合更好。

關(guān)鍵詞香蕉皮改性酸性品紅吸附脫色率

0　前言

印染廢水污染物含量高、治理難度高，是水處理研究的重點(diǎn)對(duì)象。目前處理方法主要有化學(xué)法、物理法和生化法。物理處理法中應(yīng)用最多的是吸附法[1]，而吸附法則是預(yù)處理的主要方法之一。諸多成功的處理工藝表明，強(qiáng)化預(yù)處理對(duì)印染廢水的處理具有重要意義[2]，活性炭應(yīng)用于吸附法較早，對(duì)去除水中溶解性有機(jī)物非常有效，但活性炭再生比較困難，導(dǎo)致處理成本較高，因此應(yīng)用面較窄，一般用于濃度較低的染料廢水的處理或深度處理[3]。農(nóng)林廢棄物資源豐富、價(jià)格低廉，且含有大量木質(zhì)素和纖維素，可作為吸附劑使用，在水處理領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。韓香云等[4]在利用香蕉皮作為吸附劑吸附廢水中銅、鋅的研究中，將作為廢棄物的香蕉皮進(jìn)行處理后，其對(duì)Cu2+、Zn2+的吸附率可達(dá)95%以上。酸性品紅是一種三苯甲烷染料，主要用作生物染色劑、結(jié)締組織染色劑或用于鑒定氯離子，在醫(yī)藥、生化、石油化工等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。本課題以香蕉皮為原料，利用改性方法制備生物吸附劑，并探討其對(duì)酸性品紅的吸附性能，以期為香蕉皮在印染廢水處理方面的實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料、儀器與化學(xué)試劑

香蕉皮，黃石某農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)；酸性品紅模擬廢水，自配。AB204-N電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；THZ-82微電腦恒溫振蕩器，常州國(guó)華電器有限公司；SFG-01電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、SHZ-D循環(huán)水式真空泵，黃石市恒豐醫(yī)療器械有限公司；722N可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海儀電分析儀器有限公司；98%濃硫酸、氫氧化鈉、高錳酸鉀等，分析純，天津市東麗區(qū)泰蘭德化學(xué)試劑廠。

1.2改性方法

將香蕉皮洗凈、剪碎并用去離子水清洗3次后置于100℃干燥箱中保溫至恒重，用研缽研細(xì)后放置于密封袋中備用；向高錳酸鉀、硫酸、氫氧化鈉和乙醇-乙酸混合液等4種改性劑中分別加入適量香蕉皮粉末，攪拌一段時(shí)間后抽濾、洗凈、干燥后即得改性香蕉皮吸附劑。

1.3吸附脫色實(shí)驗(yàn)方法

室溫下，在100 mL一定物質(zhì)的量濃度、pH值的模擬印染廢水中，投加一定量吸附劑——改性香蕉皮，以一定的速度攪拌、吸附一段時(shí)間后抽濾，測(cè)定水樣吸附前后的吸光度，計(jì)算脫色率，并測(cè)定吸附后模擬廢水的稀釋倍數(shù)。

1.4分析方法

用分光光度法測(cè)定酸性品紅模擬廢水吸附前后的吸光度，根據(jù)公式（1）計(jì)算脫色率；用稀釋倍數(shù)法測(cè)定吸附后模擬廢水的稀釋倍數(shù)。

脫色率＝(A1-A2)/A1×100%（1）

其中，A1——吸附前酸性品紅模擬廢水的吸光度；

A2——吸附后酸性品紅模擬廢水的吸光度。

2　結(jié)果討論

2.1改性條件優(yōu)選

2.1.1改性劑優(yōu)選

取100 mL、初始質(zhì)量濃度為20 mg/L的酸性品紅模擬廢水5份，分別投加未改性和4種改性的香蕉皮粉末各 0.5 g，在水樣自然pH（pH=6，下同）和室溫下，以150 r/min的攪拌速度吸附60 min，測(cè)定廢水吸附前后的吸光度及脫色率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　改性劑種類對(duì)脫色率的影響（吸附前吸光度：0.134）

由表1可知，未改性的香蕉皮對(duì)酸性品紅的吸附效果沒(méi)有改性香蕉皮的吸附效果好。其中用硫酸改性的香蕉皮對(duì)酸性品紅的脫色率最高，達(dá)到72.39%，吸附后的稀釋倍數(shù)為60倍。因此選用硫酸對(duì)香蕉皮進(jìn)行改性處理。

2.1.2改性劑濃度優(yōu)選

分別在50 mL不同物質(zhì)的量濃度的硫酸溶液中加入2 g香蕉皮粉末，改性30 min后抽濾、洗凈、干燥。在初始質(zhì)量濃度均為20 mg/L的5份酸性品紅模擬廢水中，分別加入上述改性后的香蕉皮粉末各0.5g，在水樣自然pH、室溫下攪拌、吸附60 min，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，當(dāng)硫酸物質(zhì)的量濃度為2 mol/L時(shí)改性香蕉皮的效果相對(duì)最好，吸附后廢水的脫色率達(dá)到72.90%，稀釋倍數(shù)為60倍。硫酸物質(zhì)的量濃度大于2 mol/L時(shí)，脫色率逐漸下降，可能是因?yàn)榱蛩嵛镔|(zhì)的量濃度過(guò)大，破壞了香蕉皮粉末表面的微孔結(jié)構(gòu)[3]。因此改性劑硫酸的物質(zhì)的量濃度取2 mol/L。

2.1.3改性時(shí)間優(yōu)選

在50 mL物質(zhì)的量濃度為2 mol/L的硫酸中加入2 g香蕉皮，分別改性不同的時(shí)間后抽濾、洗凈、干燥。在初始質(zhì)量濃度為20 mg/L的酸性品紅模擬廢水中，分別加入0.5 g上述改性后的香蕉皮粉末，在水樣自然pH值、室溫下攪拌、吸附60 min。結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1　改性劑濃度優(yōu)選

圖2　改性時(shí)間對(duì)脫色率的影響

由圖2可知，當(dāng)改性時(shí)間為30 min時(shí)，改性后的香蕉皮對(duì)模擬廢水的吸附脫色效果最好，廢水的脫色率為73.57%，稀釋倍數(shù)為60。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中改性時(shí)間均采用30 min。

2.1.4改性劑與吸附劑液固比的優(yōu)選

分別以硫酸（以98%濃硫酸計(jì)）與香蕉皮液固比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1時(shí)對(duì)香蕉皮粉末進(jìn)行改性，改性后抽濾、洗凈、干燥。在初始質(zhì)量濃度為 20 mg/L的酸性品紅模擬廢水中，分別加入0.5 g按照不同液固比改性后的香蕉皮粉末，在水樣自然pH、室溫下以150 r/min的速度攪拌、吸附60 min，結(jié)果見(jiàn)圖3。液固比為3∶1時(shí)，改性后的香蕉皮對(duì)酸性品紅模擬廢水的脫色效果最好,廢水脫色率達(dá)到73.23%，稀釋倍數(shù)為60倍。因此硫酸與香蕉皮的液固比選用3∶1。

圖3　硫酸與香蕉皮比例對(duì)脫色率的影響

2.2改性香蕉皮對(duì)酸性品紅的吸附研究

2.2.1吸附劑粒徑對(duì)脫色率的影響

在5份初始質(zhì)量濃度為20 mg/L的100 mL酸性品紅模擬廢水中，分別加入0.5 g經(jīng)孔徑分別為1.00，0.71，0.50，0.25，0.18 mm的不銹鋼篩篩選后的改性香蕉皮粉末，在水樣自然pH值、室溫、攪拌速度為150 r/min的條件下吸附60 min，所得結(jié)果如表2所示。

表2　吸附劑粒徑對(duì)脫色率的影響（吸附前吸光度：0.134）

表2表明，香蕉皮粉末的粒徑越小，其吸附、脫色效果越好。這是因?yàn)樵谙嗤耐都恿肯?，吸附劑粒徑越小，其比表面積越大，與水樣的接觸面積也就越大，越有利于吸附的進(jìn)行[5]。本實(shí)驗(yàn)條件下，最大粒徑為0.18 mm的改性香蕉皮粉末的吸附效果最佳，廢水脫色率達(dá)到74.63%，稀釋倍數(shù)為50倍。因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)吸附劑粒徑選擇最大粒徑為0.18 mm的改性香蕉皮粉末。

2.2.2吸附劑投加量對(duì)脫色率的影響

取5份質(zhì)量濃度為20 mg/L的模擬廢水各100 mL，分別加入最大粒徑為0.18 mm、不同質(zhì)量的改性香蕉皮粉末，在水樣自然pH值、室溫、攪拌速度150 r/min的條件下進(jìn)行吸附脫色處理，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4可知，改性香蕉皮的投加量越大，酸性品紅模擬廢水的脫色率越大，當(dāng)每100 mL模擬廢水中的投加量為1.1 g時(shí)，廢水的脫色率達(dá)到82.34%，稀釋倍數(shù)為20倍。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)在能保證廢水處理效果的同時(shí)降低處理成本。當(dāng)投加量為0.5 g時(shí)，廢水的脫色率為75.54%，稀釋倍數(shù)為50倍，低于GB 4287—2012中的排放限值。因此，針對(duì)質(zhì)量濃度20 mg/L的酸性品紅廢水，投加量確定為0.005 g/mL。

2.2.3水樣初始質(zhì)量濃度對(duì)脫色率的影響

于5份100 mL不同質(zhì)量濃度的模擬廢水中，分別加入最大粒徑為0.18 mm的改性香蕉皮0.5 g，水樣自然pH值、室溫、攪拌速度150 r/min的條件進(jìn)行吸附處理，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4　吸附劑投加量對(duì)脫色率的影響

圖5　水樣初始質(zhì)量濃度對(duì)脫色率的影響

由圖5可知，水樣初始質(zhì)量濃度小于20 mg/L時(shí)，隨著模擬廢水初始質(zhì)量濃度的增大，改性香蕉皮對(duì)酸性品紅模擬印染廢水的脫色率上升。模擬廢水的初始質(zhì)量濃度繼續(xù)增加，其脫色率逐漸下降，這是由吸附達(dá)到飽和所致[7]。初始質(zhì)量濃度為20 mg/L的廢水的脫色率為72.26%，稀釋倍數(shù)為60倍。選取初始質(zhì)量濃度為20 mg/L的酸性品紅模擬廢水進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2.4吸附時(shí)間對(duì)脫色率的影響

以初始質(zhì)量濃度為20 mg/L的酸性品紅模擬廢水為研究對(duì)象，改變吸附時(shí)間，在前述優(yōu)選條件下進(jìn)行吸附脫色處理，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6表明，隨著吸附時(shí)間的增加，脫色率逐漸升高，2 h后達(dá)到吸附平衡，此時(shí)脫色率為75.20%，稀釋倍數(shù)為50倍。吸附時(shí)間繼續(xù)增加，廢水脫色率沒(méi)有明顯的變化，故吸附時(shí)間取2 h。

2.2.5攪拌速度對(duì)脫色率的影響

改變攪拌速度，在前述優(yōu)選條件下分別吸附2h，結(jié)果見(jiàn)圖7。當(dāng)攪拌速度為100 r/min時(shí)，吸附脫色效果最好，脫色率為75.70%，稀釋倍數(shù)為50倍。溶液的振蕩能破壞吸附劑表面的動(dòng)力邊界層，從而加快酸性品紅的外部膜擴(kuò)散速率，提高吸附劑的吸附能力。在達(dá)到吸附平衡之前，隨著攪拌速度的提高，吸附容量不斷增大。但攪拌速度過(guò)大時(shí)，會(huì)影響吸附的進(jìn)行，甚至將已經(jīng)建立起來(lái)的吸附平衡破壞，加快解吸速率，導(dǎo)致脫色率下降[8]。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，選取攪拌速度為100 r/min。

圖6　吸附時(shí)間對(duì)脫色率的影響

圖7　攪拌速度對(duì)脫色率的影響

2.2.6正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

根據(jù)前述單因素試驗(yàn)結(jié)果，按L9(34)正交表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，各試驗(yàn)因素、水平和結(jié)果如表3所示。改性香蕉皮吸附酸性品紅模擬廢水的最佳吸附條件為A2B2C2D3，即在100 mL初始質(zhì)量濃度為30 mg/L的酸性品紅模擬廢水中投入改性香蕉皮粉末0.5 g，攪拌速度為100 r/min，吸附時(shí)間為2 h。各因素對(duì)吸附脫色的影響大小順序?yàn)椋簲嚢杷俣龋疚綍r(shí)間＞吸附劑用量＞初始質(zhì)量濃度。在最佳吸附條件下進(jìn)行一組驗(yàn)證試驗(yàn)，得到酸性品紅模擬廢水的脫色率為77.12%，高于正交試驗(yàn)中的最高脫色率（75.96%），稀釋倍數(shù)為40倍，低于GB4289—2012中的排放限值，最佳條件得證。

2.2.7吸附等溫方程的擬合

吸附劑所吸附物質(zhì)的質(zhì)量與該物質(zhì)的性質(zhì)、濃度和溫度有關(guān)。描述被吸附物的質(zhì)量與其在溶液中的濃度之間關(guān)系的公式稱為吸附等溫式，目前常用的公式有弗羅因德利希吸附等溫式、朗繆爾吸附等溫式等[7]。在最佳吸附條件下探討25℃時(shí)的吸附等溫線，分別用弗羅因德利希吸附等溫式、朗繆爾吸附等溫式進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表4及圖8、9。

表3　正交試驗(yàn)因素水平

表4　平衡質(zhì)量濃度與平衡吸附量

圖8　弗羅因德利希吸附等溫線

以lgCe為橫坐標(biāo)、lgQe為縱坐標(biāo)作圖（由圖8所示），即得弗羅因德利希吸附等溫線，相關(guān)系數(shù)R＝0.9942。

以Ce為橫坐標(biāo)、Ce/Qe為縱坐標(biāo)作圖（見(jiàn)圖9），即得朗繆爾吸附等溫式，相關(guān)系數(shù)R＝0.9605。

圖9　朗繆爾吸附等溫線

兩種吸附等溫式方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.96，說(shuō)明改性香蕉皮對(duì)酸性品紅的吸附與兩種吸附等溫方程均能較好地?cái)M合。但弗羅因德利希方程的R值高于朗繆爾方程的R值，說(shuō)明改性香蕉皮對(duì)酸性品紅的吸附用弗羅因德利希方程擬合更佳。弗羅因德利希吸附等溫方程假設(shè)吸附劑表面不均勻，交換吸附平衡常數(shù)與表面覆蓋率有關(guān)[7]，即表明該吸附過(guò)程主要是多層吸附。

3　結(jié)論

（1）香蕉皮的最佳改性條件為硫酸物質(zhì)的量濃度為2 mol/L，硫酸（以98%濃硫酸計(jì)）與香蕉皮的液固為3∶1，改性時(shí)間為30 min。

（2）正交試驗(yàn)表明，改性香蕉皮吸附酸性品紅模擬廢水的最佳吸附條件為：在100 mL初始質(zhì)量濃度為30 mg/L的酸性品紅模擬廢水中投入改性香蕉皮粉末0.5 g，攪拌速度100 r/min，吸附時(shí)間2 h。各因素影響大小順序?yàn)椋簲嚢杷俣龋疚綍r(shí)間＞吸附劑用量＞初始質(zhì)量濃度。在最佳吸附條件下改性香蕉皮對(duì)酸性品紅廢水的脫色率為77.12%，稀釋倍數(shù)為40倍，低于GB4287—2012中的排放限值。

（3）香蕉皮對(duì)酸性品紅廢水的吸附與弗羅因德利希吸附等溫方程擬合更好，說(shuō)明該吸附過(guò)程主要是多層吸附。

參考文獻(xiàn)：

[1]王朋輝,宋苗苗.印染廢水生物吸附處理法綜述[J].河南科技,2013(3):161.

[2]黃理輝,馬魯銘,張波,等.幾種印染廢水的預(yù)處理研究[J].工業(yè)用水與廢水,2005,36(6):11-13.

[3]Tamai H,Yoshida T,Sasaki M,et al.Dye adsorption on mesoporous activated carbon fiber obtained from pitch containingyttriumcomplex[J].Carbon,1999,37(6):983-989.

[4]韓香云,單學(xué)凱.香蕉皮吸附廢水中銅、鋅的研究[J].污染防治技術(shù),2009,22(4):13-14,24.

[5]胡巧開,余中山.改性香蕉皮吸附劑對(duì)六價(jià)鉻的吸附[J].工業(yè)用水與廢水,2012,43(5):67-70.

[6]胡巧開,揭武,鄧真麗.香蕉皮吸附活性艷橙的研究[J].上海化工,2013,38(1):6-8.

[7]顏博.改性苧麻麻骨對(duì)活性艷紅X-3B與亞甲基藍(lán)的吸附性能研究[D].武漢:武漢紡織大學(xué),2013:23-38.

[8]賀寶元.殼聚糖/明膠微球?qū)钚匀玖衔絻粝葱阅苎芯縖D].西安:陜西科技大學(xué),2012:57.

中圖分類號(hào)X703.1

收稿日期：2015年4月

基金項(xiàng)目：污染物分析與源資化技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（KL2013G04）

第一作者簡(jiǎn)介：胡巧開女1965年生副教授現(xiàn)主要從事環(huán)境工程教學(xué)及水污染控制研究工作

Adsorption of Acid Fuchsin by Modified Banana Peel

Hu Qiaokai Yu Zhongshan Chen Fang

Abstract:The modified banana peel is used as the adsorbent to treat the stimulant acid fuchsin wastewater.The results show that the optimum modifying agent for banana peel is sulfuric acid with the molar concentration at 2 mol/L,the ratio of liquid(acid)to solid(banana peel)is 3∶1,and the proper reaction time is 30 min.For the adsorption of acid fuchsin by modified banana peel,stirring rate and adsorption time are two important factors influencing the decolorization rate.The optimal adsorption conditions are listed as follows:the volume of acid fuchsin solution with the initial concentration at 30 mg/L is 100 mL,the amount of adsorbent is 0.5 g,the stirring rate is 100 r/min,and the adsorption time is 2 hours.Under above conditions,the decolorization rate of acid fuchsin wastewater is 77.12%,and the dilution ratio(40 times)is lower than the limit value regulated in Discharge standards of water pollutants for dyeing and finishing of textile industry(GB 4287-2012).The isotherm adsorption experiment shows that the adsorption of acid fuchsin by modified banana peel fits better with Freundlich isotherm equation.

Key words:Banana peel;Modification;Acid fuchsin;Adsorption;Decolorization rate