焙燒鎂鋁水滑石對棉粕水提液中棉酚的吸附性能及吸附機理研究

李克超 王承明 汪雪瑞 奧文芳 張乃片

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，武漢 430000)

棉酚是存在于棉花色腺體中一種黃色多酚類化合物[1]，具有抗生育[2]、抗氧化[3]、抗癌[4]、抗病毒[5]等生物活性，引起科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。我國是產(chǎn)棉大國，2016年棉花產(chǎn)量高達560.34萬噸[6]，作為棉籽脫脂的副產(chǎn)品棉粕產(chǎn)量大，棉酚在棉粕中占0.15%～1.8%[7]，若能利用棉粕中的棉酚，將有效提高棉籽粕附加值。為了滿足棉酚的應(yīng)用，棉酚的純化制備尤其重要。

吸附法因吸附劑可重復(fù)使用成本低，溶劑使用量小，而被廣泛應(yīng)用。吳漢夔等[8]采用H103大孔樹脂吸附乙醇提取液中的棉酚，純度可達83.6%，但吸附容量尚待提高。本實驗室前期利用金屬鹽有效沉淀分離棉酚，其中鋁鋅混合鹽對棉酚的沉淀率達到88.66%[9]，棉酚鹽沉淀幾乎全部可被酸轉(zhuǎn)溶，經(jīng)萃取后棉酚的純度可達91%以上，說明金屬鹽用于棉酚分離選擇性好。而水滑石作為一種雙金屬氫氧化物(Layered Double Hydroxide，簡寫為LDH)八面體層狀結(jié)構(gòu)固體材料[10]，其比表面積大，價格低廉。鎂鋁水滑石及焙燒產(chǎn)物對壬基酚[11]的吸附率高于88%，對苯酚和4-硝基苯酚[12]的吸附量分別25.5 mg/g和367.8 mg/g，表明鎂鋁水滑石特別是其焙燒產(chǎn)物對酚類物質(zhì)具有良好的吸附性能，然而水滑石吸附棉酚的研究鮮見報道。

因此，本實驗擬利用鎂鋁水滑石吸附分離棉酚，以焙燒鎂鋁水滑石為吸附劑，考察pH、溫度等對棉酚吸附洗脫的影響，并通過熱力學(xué)、動力學(xué)擬合方程，XRD、XPS等探討吸附機理，以期為鋁鋅水滑石吸附分離棉酚提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

D8 ADVNCE X射線衍射分析儀：英國馬爾文儀器有限公司；Nexus 470紅外光譜分析儀：美國梅特勤公司；722可見光分光光度計：上海菁華科技儀器有限公司；ESCALAB 250Xi X射線光電子能譜儀：美國賽默飛世爾科技有限公司。

Mg(NO3)2·6H2O、Al (NO3)3·6H2O、 Na2CO3、NaOH、 HCl、硫脲、苯胺、磷酸均為分析純，棉酚標品純度>99%，乙腈、無水甲醇為色譜純。

1.2 實驗方法

1.2.1 鋁鋅水滑石的制備及表征

本實驗采用Cavani等[13]的共沉淀法制備MgAlCO3水滑石，鎂鋁摩爾比4∶1，記為LDH4，產(chǎn)物在550 ℃進行焙燒得cLDH4。XRD譜圖分析的工作條件為Cu Kα射線, 工作電壓40 kV, 工作電流40 mA，掃描范圍θ為5°～85°，掃描速度10(°)/min；FT-IR采用KBr壓片法，掃描范圍4 000～400 cm-1。

1.2.2 棉酚粗提液制備及游離棉酚檢測

采用楊沖[14]的超聲輔助響應(yīng)面優(yōu)化方法從棉粕中提取棉酚，粗提液中棉酚的濃度為0.36 mg/mL。

采用AOCS-Ba-7-58[15]法檢測棉酚含量，得標準曲線擬合方程y=59.727x和R2=0.999 0。

1.2.3 吸附及洗脫實驗

棉酚粗提取液采用NaOH調(diào)節(jié)pH，每次取20 mL至系列30 mL樣品瓶中，加入0.030 0 g的吸附劑，恒溫攪拌，一定時間取上清液過濾，根據(jù)濾液中游離棉酚含量，計算吸附量(式1)，每個實驗平行測定3次。吸附后以90%的乙醇進行洗脫，洗脫率η按式2計算。

Qt=(C0-Ci)×V1/m

(1)

η=C×V2/Qm

(2)

式中：Qt、Qm分別為t時刻、洗脫平衡的吸附量/mg/g；C0、Ci、C分別為棉酚粗提液、吸附后上清液、洗脫液中棉酚濃度/mg/mL；V1、V2分別為棉酚粗提液、洗脫液的體積/mL；m為吸附劑質(zhì)量/g。

1.2.4 吸附等溫線及動力學(xué)模型

采用Langmuir吸附等溫線(式3)和Freundlich吸附等溫線(式4)對實驗結(jié)果進行擬合。不同時間的吸附量采用一級動力學(xué)(式5)和偽二級動力學(xué)方程(式6)進行擬合。

Ce/Qe=Ce/Qm+1/KL×Qm

(3)

Qe= kCe1/n即lnQe=lnKF+1/nlnCe

(4)

lg(Qe-Qt)=lgQe-k1t/2.303

(5)

t/Qt=1/(k2Qe2)+t/Qe

(6)

式中：Qe為平衡吸附量/mg/g；Qt為t時刻的吸附量/mg/g；Qm為最大單分子層吸附量/mg/g；Ce為平衡濃度/mg/g；KL、KF分別為Langmuir、Freundlich等溫方程常數(shù)；t為吸附時間/min；k1為一級動力學(xué)速率常數(shù)/1/min；k2為偽二級動力學(xué)速率常數(shù)/g/(mg·min)；1/n為Freundlich等溫方程常數(shù)。

1.2.5 吸附劑重復(fù)使用次數(shù)

吸附洗脫后的水滑石，再次550 ℃焙燒后做吸附劑，經(jīng)多次循環(huán)，根據(jù)吸附量判斷吸附劑重復(fù)使用性能。

1.2.6 產(chǎn)物純度分析

將產(chǎn)物溶于80%乙醇，采用HPLC分析純度，色譜條件為：色譜柱Agilent TC-C18 (250 mm×4.6 mm, 5 μm)，流動相乙腈：0.2%的磷酸水溶液為85∶15，流速1 mL/min，紫外檢測器檢測波長235 nm，進樣量10 μL，柱溫25 ℃[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH對吸附的影響

在溫度為35 ℃的實驗條件下，焙燒鎂鋁水滑石(cLDH4)對棉酚的吸附量如圖1，pH為4 時，可能使水滑石氧化造成吸附量較低。焙燒水滑石吸附發(fā)生在重建過程中，吸收大量H+使溶液堿性增強，同時層間吸收陰離子中和層板電荷，棉酚解離度增加，可能增大棉酚與帶正電的水滑石層板間的靜電吸附。初始pH較高時，溶液最終堿性較強，造成長時間在堿性條件的棉酚氧化，應(yīng)是吸附量減少。事實上堿性條件下吸附量突然增大，可能是棉酚氧化造成檢測的溶液剩余棉酚濃度低，從而采用前后棉酚濃度差計算的吸附量增大。為了使棉酚穩(wěn)定存在且保持較高吸附量應(yīng)選擇pH 5為宜。

圖1 pH對吸附的影響

2.2 吸附動力學(xué)

在pH 5時，吸附量隨時間的變化如圖2所示，10 h即達到吸附平衡，45 ℃最大吸附量68.16 mg/g。

圖2 吸附時間對吸附量的影響

分別采用一級動力學(xué)和偽二級動力學(xué)對不同溫度下的實驗數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果見表1，實驗結(jié)果更符合偽二級動力學(xué)模型。

表1 動力學(xué)擬合結(jié)果

2.3 吸附等溫線及吸附熱力學(xué)

在pH為5的情況下測定吸附量隨濃度的變化，結(jié)果表明隨溫度增加吸附量有所增加(圖3)。

實驗結(jié)果分別采用Langmuir吸附等溫線和Freundlich吸附等溫線進行擬合，結(jié)果的具體參數(shù)見表2。

圖3 棉酚初始濃度對吸附的影響

Langmuir和Freundlich等溫擬合曲線的擬合效果均在98%以上，但是Freundlich等溫線擬合效果更好。Freundlich的n在2～10范圍內(nèi)，表明是有利的吸附[17]。利用表2數(shù)據(jù)，以lnKF對1/T作圖，根據(jù)直線斜率、截距及公式ΔG=ΔH-TΔS求得熵變ΔS為70.52 J/(mol·K)，焓變ΔH為14.51 kJ/mol，25、35、45 ℃的自由能變ΔG依次為-6.51、-7.21、-7.92 kJ/mol。

表2 吸附等溫線擬合結(jié)果

ΔH為正值說明吸附為吸熱過程，且數(shù)值較小，表明無化學(xué)鍵等強相互作用。根據(jù)各種作用力引起的ΔH范圍[18]，吸附過程可能存在氫鍵、范德華力、偶極相互作用力。ΔS為正值是熵增大的結(jié)果，一方面棉酚被吸附且層板重建熵減少，另一方面焙燒水滑石重構(gòu)中吸收大量的H+釋放OH-，體積混亂度增大較多，使得最終熵為正值[19-20]。ΔG為負值表明反應(yīng)自發(fā)進行，且在物理吸附自由能0～-20 kJ/mol范圍內(nèi)[21]，說明為物理吸附。

2.4 吸附機理探討

X衍射分析用來探測樣品結(jié)構(gòu)，從圖2可以看出樣品有水滑石的特征峰[13]，雜質(zhì)峰少，表明水滑石的結(jié)晶度高、規(guī)整性好。焙燒后晶體結(jié)構(gòu)被破壞，水滑石的特征峰消失，留下的是兩種金屬氧化物混合物的特征峰。

吸附后的cLDH4(圖4c)恢復(fù)水滑石的基本結(jié)構(gòu)但結(jié)晶度下降，吸附后的d(003)為0.790 nm，與未焙燒的LDH的d(003)(0.788 nm)相差無幾，與Cl插層水滑石的結(jié)果相近[22]，可能原因是酸性提取液調(diào)整pH后存在較多的氯離子，吸附時氯離子插入層間，也可能是溶液中存在的少量CO32-插入層間。根據(jù)鍵長值C(苯環(huán))—C(苯環(huán)), C(苯環(huán)) —O, C(苯環(huán)) —C, O—H分別為1.4、1.4、1.5、1.0 ?[23]，可知單苯環(huán)的直徑為0.28 nm，連接C原子后為0.43 nm大于層間距0.308 nm(d003-層板厚度(0.048 nm)[24])，因此認為吸附發(fā)生在表面。

注：a表示cLDH4吸附棉酚后，b表示LDH4，c表示cLDH4，下同。圖4 水滑石的XRD圖

水滑石的紅外圖(圖5)中3 460 cm-1為—OH伸縮振動，1 633 cm-1為層間水，1 360 cm-1和670 cm-1為C—O振動，1360 cm-1處譜峰為CO32-彎曲振動[25]，400～800 cm-1為Mg/Al—O的振動[26]。焙燒后形成鎂鋁氧化物，層間水及CO32-吸收峰減少，但仍存在金屬—O的吸收峰。

圖5 水滑石的FT-IR圖譜

吸附后FT-IR圖(圖5a)的—OH吸收峰向低波數(shù)方向偏移20 cm-1，且峰型變寬，這是由cLDH4表面的羥基與棉酚形成氫鍵導(dǎo)致。

圖6 吸附前后XPS的O1s光譜

XPS的窄掃描圖利用XPS peak 4.1 軟件對O1s進行峰擬合(圖6)，XPS解疊結(jié)果見表3，分析發(fā)現(xiàn)吸附后羥基氧形式降低同時水氧(H2O)形式增加，這進一步說明棉酚分子與cLDH4通過O—HO氫鍵結(jié)合，此結(jié)構(gòu)類似于H2O[27]。隨外層電子密度降低，使得其對內(nèi)層電子的屏蔽作用減弱，而使結(jié)合能值增加[28]。鎂鋁結(jié)合能增加，應(yīng)是失電子電子云密度降低，可能是在吸附過程中焙燒水滑石恢復(fù)層狀結(jié)構(gòu)時，層間插入陰離子，結(jié)合XRD實驗結(jié)果，認為插入層間的不是棉酚分子。

表3 吸附前后XPS圖譜解疊結(jié)果

若cLDH4與棉酚間僅存在氫鍵和偶極作用，則吸附不應(yīng)受pH影響。事實上pH對吸附有一定的影響，推測存在靜電相互作用。焙燒水滑石重建后pH增加，棉酚解離度增加，棉酚解離后的陰離子與正電荷的層板間的靜電相互作用增加，氫鍵減少。所以對于cLDH4吸附棉酚以靜電相互作用為主，伴有氫鍵、偶極相互作用。

2.5 靜態(tài)洗脫研究

在pH 5，45 ℃，吸附劑添加量1g/L的條件下進行吸附，吸附后采用90%的乙醇酸溶液(0.01 mol/L鹽酸調(diào)pH 4～5)進行洗脫。洗脫劑用量，洗脫時間的影響見圖7。從圖中可以看出12 h解析率已達最大，繼續(xù)攪拌解析率略有降低，可能是棉酚降解造成，所以最佳解析時間為12 h。為了提高效率及避免棉酚降解，最佳解為12 h。隨著洗脫劑用量增加，洗脫率逐漸增加，之后趨于平緩，為節(jié)約試劑，選擇洗脫劑體積為吸附前吸附劑質(zhì)量的0.75倍，即0.1 g吸附劑采用75 mL酸性乙醇溶液洗脫，洗脫率可達60%。

圖7 洗脫時間和洗脫劑用量對洗脫的影響

2.6 吸附劑重復(fù)使用次數(shù)

吸附洗脫后的吸附劑，焙燒后再次做吸附劑，經(jīng)多次循環(huán)，再次吸附的效果如圖8，cLDH4第一次循環(huán)后，吸附量略有下降，經(jīng)四次循環(huán)吸附量降為初始cLDH4吸附量的75%，這表明cLDH4再生利用在前3個周期內(nèi)是可行的。吸附量下降主要有兩方面原因，一是因為多次焙燒，晶體結(jié)構(gòu)受到極大的破壞，重建過程中結(jié)晶度逐漸降低[29]；二是因為解析率未達100%[30]，未解析的棉酚在焙燒時產(chǎn)生的熱分解產(chǎn)物，擾亂金屬氧化物的結(jié)構(gòu)重建[31]，從而使結(jié)晶度下降吸附能力下降。

圖8 焙燒次數(shù)對吸附的影響

2.7 產(chǎn)品表征

洗脫液旋蒸蒸發(fā)至近干，加入10 mL無水乙醇再加5 mL醋酸，冷藏過夜，沉淀即為醋酸棉酚樣品，F(xiàn)T-IR進行結(jié)構(gòu)分析。從圖9中可以看出醋酸棉酚樣品與標品的紅外圖譜基本一致，與張大煜[32]的結(jié)果一致，表明所得產(chǎn)物為醋酸棉酚。

圖9 醋酸棉酚標品與樣品的紅外圖譜

粗提液、樣品和標品溶液的HPLC圖譜如圖10所示，經(jīng)計算依次結(jié)晶樣品純度為86.06%。

圖10 醋酸棉酚HPLC圖譜

3 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，焙燒鎂鋁水滑石在酸性的條件下對棉酚的吸附效果較好，最佳吸附時間為10 h，cLDH4的最大吸附量可達68.16 mg/g。吸附量隨溫度增加而增加，等溫線擬合結(jié)果表明吸附符合Freundlich等溫線，動力學(xué)結(jié)果符合偽二級動力學(xué)方程。據(jù)XRD結(jié)果表明吸附為表面吸附，pH對吸附的影響結(jié)合XPS圖譜分析知吸附過程存在靜電和氫鍵、偶極相互作用。洗脫結(jié)晶后經(jīng)FT-IR分析產(chǎn)物具有醋酸棉酚的基本特征，HPLC結(jié)果表明產(chǎn)品純度可達86.06%，吸附劑在前三次熱循環(huán)再生中重復(fù)使用性能較好。

[1]JIA G F, ZHAN Y H, WU D C, et al. An improved ultrasound-assisted extraction processof gossypol acetic acid from cottonseed soapstock [J]. AIChE Journal, 2009, 55(3): 797-806

[2]National Coordinating Group on Male Antifertility Agents. Gossypol-a new anti-fertility agent for males [J]. Chinese Medical Journal, 1978, 4: 417-428

[3]FAN X H, WANG X, CHEN F, et al. Engine performance test of cottonseed oil biodiesel [J]. Open Energy Fuels Journal, 2008, 1: 40-45

[4]MOHAMMAD R M, WANG S, ABOUKAMEEL A, et al. Preclinical studies of a nonpeptidic small-molecule inhibitor of Bcl-2 and Bcl-X(L)[(-)-gossypol] against diffuse large cell lymphoma [J]. Molecular Cancer Therapeutics, 2005, 4: 13-21

[5]VANDERJAGT D L, DECK L M, ROYER R E. Gossypol: prototype of inhibitors targeted to dinucleotide folds [J].Current Medicinal Chemistry, 2000, 7: 479-498

[6]張淑英. 中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒[J]．北京：中國統(tǒng)計出版社, 2016 ZHANG S Y. China rural statistical yearbook[J]. Beijing: China Statistics Press, 2016

[7]劉軍，徐志宏，魏振承，等. 棉酚的綜合利用研究進展[J]．中國油脂，2008，33: 6-10 LIU J, XU Z H, WEI Z C, et al. Advance incomprehensive utilizatin of gossypol[J]. China Oils and Fats, 2008, 33:6-10

[8]吳漢夔，楊偉華，司慶賀．棉酚的大孔吸附樹脂純化工藝優(yōu)選[J]．中國實驗方劑學(xué)雜志，2014，20(8)：21-24 WU H K, YANG W H, SI Q H. Optimization of purification process for gossypol from gossypium herbaceum by macroporous adsorption resin[J]. China Journal of Experimental Traditonal Medical Formulae, 2014, 20(8):21-24

[9]王承明, 陸吉瑞, 高潔芬. 一種從棉酚粗提液中分離棉酚的方法：中國，103787853A[P]，2014-05-14 WANG C M, LU J R, GAO J F. Method for separating gossypol from crude extract of gossypol: China, 103787853A[P]，2014-05-14

[10]CONSTANTINO V R, PINNAVAIA T J. Basic piopeities of Mg2+, Al3+layered double hydroxides intercated by carbonate, hydroxide chloride and anions[J]. Inorganic Chemistry, 1995, 34(4) : 883-892

[11]KOSTURAA B,KUTA R, PLACHB D, et al. Mg-Al-CO3hydrotalcite removal of persistent organic disruptor-Nonylphenol from aqueous solutions[J]. Applied Clay Science, 2015, 114: 234-238

[12]CHEN S L, XU Z P, ZHANG Q, et al. Studies on adsorption of phenol and 4-nitrophenol on MgAl-mixed oxidederived from MgAl-layered double hydroxide[J]. Separation and Purification Technology, 2009, 67: 194-200

[13]CAVANI F, TRIFIRO F, VACCARI A. Hydrotalcite-type anionicclays: preparation, properties and applications[J]. Catalysis Today, 1991, 11: 173-301

[14]楊沖，王承明．棉籽粕中棉酚的超聲輔助脫除研究[J]．中國糧油學(xué)報，2011，26(1)：74-78 YANG C, WANG C M. Ultrasonic wave-assisted extractin of gossypol from cottonseed meals[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2011, 26(1):74-78

[15]American Oil Chemists’ Society. In: Firestone, D. (Ed.), Official Methods and Recommended Practices of the AOCS, fifth ed. Champaign, IL,1998

[16]ZHU Q L, SHAO R, DONG R, et al. An integrated approach for obtaining biodiesel, sterols, gossypol, andrafnose from cottonseed on a biorenery concept[J]. Energy, 2014, 70:149-158

[17]LAZARIDIS N K, ASOUHIDOU D D. Kinetics of sorptive removal of chromium(VI) from aqueous solutions by calcined Mg-Al-CO3hydrotalcite[J]. Water Research, 2003, 37: 2875-2882

[18]OEPEN V B, K?RDEL W, KLEIN W. Sorption of nonpolar and polar compounds to soils: processes, measurement and experience with the applicability of the modified OECD-guideline[J]. Chemosphere, 1991, 22: 285-304

[19]李燕，施利文，劉志山，等．鄰甲酚在類水滑石，焙燒水滑石及改性水滑石上的吸附[J], 化學(xué)學(xué)報，2012，70(6): 683-690 LI Y, SHI W L, LIU Z S, et al. Sorption ofο-Cresol on pristine, calcined and modified hydrotalcitelike compounds[J]. Acta Chimica Sinica, 2012, 70(6):683-690

[20]TAHIR S S, RAUF N. Removal of a cationic dye from aqueous solutions by adsorption onto bentonite clay[J]. Chemosphere, 2006, 63: 1842-1848

[21]LIU C C, WANG M K, Li Y S. Removal of nickel from aqueous solution using wine processing waste sludge[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2005, 44: 1438-1445

[22]MIYATA S. Anion-exchange properties of hydrotalcite-like compounds[J]. Clays Clay Miner. 1983, 31: 305-311[23]KAMEDA T, SAITO M, UMETSU Y. Preparation of a composite material for the uptake of bisphenol A from aqueous solutions, the dodecylsulfate ion-intercalated Mg-Al layer-structured double hydroxide particles[J]. J Alloys Compd, 2005, 402(1-2): 46-52

[24]DAS N, DAS R. Insertion of chromium (Ⅲ) ascorbate complex into layered double hydroxide through reduction of intercalated chromate by ascorbic acid[J]. Applied Clay Science, 2008, 42: 90-94

[25]易師，楊占紅，遲偉偉，等. 不同鋁源和制備方法對鎂鋁水滑石合成的影響[J]. 塑料助劑，2008，6：25-28 YI S. YANG Z H, CHI W W, et al. Influence of different Al resources and preparation methods on the synthesis of Mg-Al hydrotalcite-like compounds[J]. Plastics additives, 2008, 6:25-28

[26]LV L, HE J, WEI M, et al. Uptake of chloride ion from aqueous solution by calcined layered double hydroxides: Equilibrium and kinetic studies[J]. Water Research, 2006, 40: 735-743

[27]ZHANG C, YANG S, CHEN H, et al. Adsorption behavior and mechanism of reactive brilliant red X-3B in aqueous solution over three kinds of hydrotalcite-like LDHs[J]. Applied Surface Science, 2014, 301: 329-337

[28]FAN G, WANG H, XIANG X, et al. Co-Al mixed metal oxides/carbon nanotubes nanocomposite prepared via a precursor route and enhanced catalytic property[J]. Journal of Solid State Chemistry. 2013, 197: 14-22

[29]ULIBARRI M A, PAVLOVIC I, HERMOSIN M C, et al. Hydrotalcite-like compounds as potential sorbents of phenols from water[J]. Applied Clay Science, 1995, 10:131-145

[30]WANG S, LI Z, LU C. Polyethyleneimine as a novel desorbent for anionic organic dyes on layered double hydroxide surface[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2015, 458: 315-322

[31]ZHU M X, LI Y P, XIE M, et al. Sorption of an anionic dye by uncalcined and calcined layered double hydroxides: a case study[J]. Journal of Hazardous Materials, 2005, 120: 163-171

[32]張大煜. 醋酸棉酚的制取原理、質(zhì)量檢測與應(yīng)用前景[J]. 中國油脂，1999，24(4)：53-54 ZHANG D Y. The preparation principle, quality test and applicationprospect of gossypol acetate[J]. China Oils and Fats, 1999, 24(4):53-54