芒果皮對水溶液中Cr（Ⅵ）的吸附研究

摘要：以芒果皮為原料，研究了芒果皮對Cr（Ⅵ）的吸附特性，探討了芒果皮的投加量、溶液pH對Cr（Ⅵ）去除率的影響。結果表明，在吸附劑投加量4 g/L、pH 3.3的條件下，芒果皮對50、100和150 mg/L Cr（Ⅵ）溶液去除效果均為最佳；芒果皮對Cr（Ⅵ）吸附符合Henry吸附等溫式，準二級動力學方程能很好地對芒果皮吸附Cr（Ⅵ）的試驗數(shù)據(jù)進行擬合。

關鍵詞：芒果皮；吸附；Cr（Ⅵ）

中圖分類號：S667.7；X703 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3594-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.014

Abstract： Mango skin was used as raw material and its adsorption properties towards Cr（Ⅵ） were studied. The influence of mango skin dosage and solution pH value on removal rate of Cr（Ⅵ） was discussed. The experimental results indicated that under the conditions of mango skin dosage 4 g/L and pH 3.3，the removal efficiency of Cr（Ⅵ） all reached the best while the initial concentration of Cr（Ⅵ） in solution were 50 mg/L，100 mg/L，150 mg/L respectively. The adsorption of Cr（Ⅵ） can be described by the quasi-second-order kinetic equations， and Henry equation wfits the experimental data of Cr（Ⅵ） isothermal adsorption very well.

Key words： mango skin；adsorption；Cr（Ⅵ）

鉻（Cr）是一種用途廣泛但又有毒的重金屬，分布在水體、土壤和大氣等各個環(huán)境介質(zhì)中。環(huán)境介質(zhì)中Cr通常以Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）形式存在，其中Cr（Ⅵ）毒性是Cr（Ⅲ）毒性的100多倍，具有致癌、致畸和致突變特性[1]；同時Cr（Ⅵ）具有很強的遷移能力，嚴重威脅生態(tài)環(huán)境和人類健康[2]。因此，進行水中Cr（Ⅵ）的處理技術研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

目前含鉻廢水的處理技術主要有化學沉淀法[3]、氧化還原法[4]、離子交換樹脂法[5]、膜處理法[6]、光催化法[7]、吸附法[8]等。其中吸附法具有處理效果好、易于操作且費用低等優(yōu)點，是處理Cr（Ⅵ）廢水的重要技術方法之一。近年來，生物吸附劑由于可再生、成本低廉而受到國內(nèi)外許多研究者的關注，已報道的如柑橘皮、花生殼、柚子皮等均體現(xiàn)了良好的吸附性能[9]。芒果皮中含有豐富的芒果苷多酚、多糖等物質(zhì)，可與水中重金屬發(fā)生絡合作用而去除水溶液中的重金屬，而關于芒果皮吸附Cr（Ⅵ）尚未見文獻報道。本研究采用芒果皮吸附去除水中Cr（Ⅵ），以期為鉻污染治理提供基礎數(shù)據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試劑：重鉻酸鉀、丙酮、硫酸（1+1）、磷酸（1+1）、二苯碳酰二肼等，均采用國產(chǎn)分析純，芒果皮取自百色芒果批發(fā)市場。

儀器：721型可見分光光度計（上海箐華科技儀器有限公司）；DHG-9073A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海賀德試驗設備有限公司）；哈納HI2214型酸度計（意大利哈納）；DHZ-DA型恒溫搖床（金壇市晶玻試驗儀器廠）；FS100S-1型高速粉粹機（廣州雷邁機械設備有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 芒果皮的預處理 將新鮮的芒果皮放置于恒溫干燥箱，在55 ℃下干燥至恒重，然后將干燥的芒果皮于高速粉碎機中粉碎，過60目篩，收集粉末密封于4 ℃下保存。

1.2.2 芒果皮對Cr（Ⅵ）的吸附 分別移取一定體積已知濃度的Cr（Ⅵ）溶液，加入到150 mL碘量瓶中，加入一定質(zhì)量的芒果皮，調(diào)節(jié)轉速150 r/min，在恒溫搖床中振蕩一定時間后，將Cr（Ⅵ）溶液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后收集濾液。采用二苯碳酰二肼的分光光度法[10]測定濾液中Cr（Ⅵ）含量。按公式（1）和公式（2）計算出吸附容量（q）和Cr（Ⅵ）去除率（p）。

式（1）和式（2）中，q為Cr（Ⅵ）的吸附量（mg/g）；V為Cr（Ⅵ）溶液的體積（mL）；C0、Ce分別為Cr（Ⅵ）初始和吸附后濃度（mg/L）；m為芒果皮質(zhì)量（g）；p為Cr（Ⅵ）去除率（%）。

2 結果與分析

2.1 芒果皮投加量對吸附性能的影響

分別稱取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g的芒果皮粉末加入到100 mL 50 mg/L Cr（Ⅵ）溶液中，在溫度為35 ℃，轉速為150 r/min條件下，振蕩平衡1 h后，測定吸附后溶液中Cr（Ⅵ）的濃度并計算出 Cr（Ⅵ）的去除率p；同時考察不同芒果皮粉末投加量對濃度100、150 mg/L Cr（Ⅵ）吸附性能的影響，結果如圖1所示。由圖1可知，當Cr（Ⅵ）濃度為50 mg/L時，吸附劑用量為1 g/L，對Cr（Ⅵ）去除率為47.87%；吸附劑用量增加到4 g/L時，對Cr（Ⅵ）去除率為75.55%；當繼續(xù)增加吸附劑用量時，去除率變化不明顯；Cr（Ⅵ）濃度為100、150 mg/L時，吸附劑用量對Cr（Ⅵ）去除也存在相同的變化趨勢。因此，在本試驗中選擇吸附劑投加量為4 g/L。

2.2 pH對吸附性能的影響

稱取0.4 g芒果皮粉末，加入到pH 1.3、2.3、3.3、4.3、5.3、6.3的100 mL濃度為50 g/L Cr（Ⅵ）溶液中，在溫度為35 ℃，轉速為150 r/min條件下，振蕩平衡1 h后，測定吸附后溶液中Cr（Ⅵ）的濃度并計算出Cr（Ⅵ）的去除率p，同時考察不同pH對濃度為50、100、150 mg/L的Cr（Ⅵ）溶液吸附性能的影響，結果見圖2。由圖2可知，pH對Cr（Ⅵ）溶液的去除率影響較大，Cr（Ⅵ）溶液的去除率隨著pH增大而逐漸減小并趨于平穩(wěn)，這是由于pH較低時，溶液中Cr（Ⅵ）主要以鉻陰離子（HCrO4-、Cr2O42-）形式存在[11]，同時H+較多，芒果皮表面官能團氨基、羥基等接受H+，形成帶正電荷的-NH3+、-OH2+吸附中心，通過靜電作用，鉻陰離子容易被帶正電荷的吸附中心所吸附，隨著pH的升高，芒果皮表面帶正電荷吸附中心逐漸減少，對鉻陰離子吸附量下降，導致Cr（Ⅵ）去除率下降，因此pH較低時，Cr（Ⅵ）去除率較高。

當pH 1.3～3.3時，Cr（Ⅵ）去除率呈逐漸下降趨勢。當pH>3.3時，去除率變化趨于平緩。因此，pH控制在1.3～3.3為宜，但如果pH過小，既加大處理成本還對環(huán)境產(chǎn)生酸污染，綜合考慮Cr（Ⅵ）去除率和對環(huán)境的影響，本試驗選擇pH 3.3。

2.3 吸附等溫線

稱取0.4 g芒果皮粉末6份，分別加入濃度為50、100、150、200、250和300 mg/L Cr（Ⅵ）溶液中，調(diào)節(jié)pH 3.3，在轉速為150 r/min條件下，振蕩平衡1 h后，在溫度分別為35、40和45 ℃的條件下，試驗結果見圖3。將圖3試驗結果代入Langmuir吸附等溫模型（式3）、Freundlich吸附等溫模型（式4）和Henry吸附等溫模型（式5），擬合結果見表1。

Langmuir等溫吸附模型：

qe=qm （3）

Freundlich等溫吸附模型：

qe=KFce1/m （4）

Henry等溫吸附模型：

qe=KHce（5）

式（3）、式（4）和式（5）中，qe為平衡吸附量；qm為飽和吸附量（mg/g）；KF、KL、KH為吸附平衡系數(shù)；ce為吸附平衡時Cr（Ⅵ）溶液濃度（mg/L）。

吸附等溫線是用來描述固相的吸附劑和液相中金屬離子之間的平衡關系模型，由表1中的相關系數(shù)中可以看出，在不同的溫度下，Henry模型的R2均達到0.900 0以上，相比Langmuir模型和Freundlich模型，Henry模型能夠更好地描述吸附平衡。

2.4 吸附動力學

稱取0.4 g芒果皮粉末加入到濃度為100 mg/L Cr（Ⅵ）溶液中，調(diào)節(jié)pH 3.3，在轉速為150 r/min條件下，振蕩反應20、40、60、80、100、120 min，在溫度為35、40和45 ℃的條件下，芒果皮對Cr（Ⅵ）的吸附動力學曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著吸附時間的延長，芒果皮對Cr（Ⅵ）的吸附量逐漸增加；當吸附時間為60 min，吸附基本達到平衡。采用準二級動力學方程（式6）對Cr（Ⅵ）吸附試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結果見表2。

式中，k為反應速率常數(shù)[g/（mg·min）]；t為吸附時間（min）；qe、qt分別為平衡吸附量和t時刻吸附量（mg/g）。

由表2可見，在一定溫度的條件下，動力學試驗的結果能較好地用準二級動力學方程擬合，擬合相關系數(shù)R2均接近于1，說明芒果皮對Cr（Ⅵ）的吸附符合準二級動力學模型，由準二級動力學方程的假設可知，吸附反應的速率限制步驟是化學吸附過程，吸附劑與吸附質(zhì)之間有化學鍵形成或離子交換反應發(fā)生。

3 小結

通過芒果皮吸附Cr（Ⅵ）廢水的試驗研究，結果表明，芒果皮對Cr（Ⅵ）最佳吸附條件為吸附劑投加量在4 g/L，pH 3.3；芒果皮對Cr（Ⅵ）的吸附符合Henry等溫吸附，吸附動力學遵從準二級動力學模型。

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