改性花生殼吸附Pb2+

邱光明，朱叢戎*

重慶中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)研發(fā)中心（重慶 400060）

伴隨著環(huán)境污染的日益嚴重，特別是重金屬對環(huán)境的污染，我國農(nóng)業(yè)減產(chǎn)、醫(yī)療事故等造成的損失也呈現(xiàn)出越發(fā)嚴重的態(tài)勢。同時，對資源的不當利用使我國本已緊缺的資源遭受巨大浪費。

我國是農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生大量的天然纖維素，除部分正常使用外，大部分纖維素以廢棄物的形式丟棄或燃燒，這樣不但造成環(huán)境污染，也浪費了這些可利用資源[1-2]，如花生在我國中部和北方大面積種植，每年有大量的花生殼產(chǎn)生，這些潛在的可再生資源在未被發(fā)現(xiàn)之前成為丟棄的廢物或簡單的燃料[3-4]。花生殼主要有纖維素、半纖維素、果膠、色素等組成，其中花生殼中的纖維素成分對重金屬離子的吸附有重要作用[5-8]，通過簡單的化學(xué)修飾對花生殼進行改性處理，制備出具有高吸附性能、吸附性穩(wěn)定的纖維素吸附劑，進而對處理含Pb2+廢水，為大量的花生殼資源找到利用的理論基礎(chǔ)[9-11]。

試驗選用花生殼為基礎(chǔ)材料制備重金屬吸附劑，一方面，以花生殼為原料，不僅減少了花生殼隨意丟棄對環(huán)境的污染，也提高了花生殼的再利用價值；另一方面，有效處理重金屬離子廢水，凈化水資源，保護人類健康[12]。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

1.1.1 儀器（參見表1）

表1 試驗儀器

1.1.2 材料

氫氧化鈉（AR），天津市盛奧化學(xué)試劑有限公司；無水硫酸鎂（AR），天津市風船化學(xué)試劑科技有限公司；二硫化碳（AR），成都科龍化工試劑廠；無水乙醇（AR），西隴化工股份有限公司；硝酸鉛（AR），天津市風船化學(xué)試劑科技有限公司；鹽酸（AR），西隴化工股份有限公司。

1.2 分析條件

花生殼的預(yù)處理：選擇若干花生殼，首先用清水浸泡12 h，洗凈，烘干，粉碎，儲存。取粉碎、烘干的花生殼，采用足量10%的NaOH溶液浸泡花生殼，直至所有花生殼全部沉至瓶底，溶液顏色為暗黃色，過濾，將暗黃色液體儲存，洗滌花生殼、烘干，完成預(yù)處理。

1.3 改性條件

花生殼的改性處理：取15 g預(yù)處理花生殼，加500 mL 10% NaOH，在30 ℃下對預(yù)處理花生殼改性處理1.5 h，直到反應(yīng)溶液變成橘黃色，然后加入50 mL 8%MgSO4，攪拌溶液變?yōu)辄S色乳狀物，使改性花生殼轉(zhuǎn)型及穩(wěn)定，過濾后的固體留用，利用稀乙醇清洗固體留用物，溶出未反應(yīng)的有機物及無機物，過濾、洗至中性，在50 ℃下烘干備用，得到改性花生殼。

1.4 分析方法

試驗采取控制變量法，分別對重金屬離子初始濃度、吸附溫度、吸附劑用量、pH及吸附重金屬離子溶液的時間進行控制，

式中：C0為重金屬離子溶液的初始質(zhì)量濃度（mg/L），C1為吸附后重金屬離子溶液的質(zhì)量濃度（mg/L），V為溶液的體積（mL），m為吸附劑的質(zhì)量（mg）。

1.4.1 重金屬離子初始濃度對試驗結(jié)果的影響

在25 ℃的條件下，分別配制重金屬離子初始質(zhì)量濃度為10，20，30，40和50 mg/L的硝酸鉛溶液，各取50 mL，再分別稱取0.800 0 g改性花生殼離子吸附劑加入其中，在pH 5.79的條件下，吸附30 min，過濾，用紫外分光光度計測定其在283.3 nm下的吸光度，并計算其吸附率。

1.4.2 吸附溫度對試驗結(jié)果的影響

在25 ℃的條件下，配制5份初始質(zhì)量濃度為50 mg/L的硝酸鉛溶液，各取50 mL，在30，40，50，60和70 ℃的條件下分別加入0.800 0 g改性花生殼離子吸附劑，在pH 5.79的條件下，吸附30 min，冷卻，過濾，用紫外分光光度計測定其在283.3 nm下的吸光度，并計算其吸附率。

1.4.3 吸附時間對試驗結(jié)果的影響

在25 ℃的條件下，配制5份初始質(zhì)量濃度為50 mg/L的硝酸鉛溶液，各取50 mL該溶液，分別加入0.800 0 g改性花生殼離子吸附劑，在pH 5.79的條件下，分別吸附30，60，90，120和150 min，過濾，用紫外分光光度計測定其在283.3 nm下的吸光度，并計算其吸附率。

1.4.4 吸附劑用量對試驗結(jié)果的影響

在25 ℃的條件下，配制5份初始質(zhì)量濃度為50 mg/L的硝酸鉛溶液，各取50 mL，分別加入0.200 0，0.400 0，0.600 0，0.800 0和1.000 0 g的改性花生殼離子吸附劑，在pH 5.79的條件下，吸附30 min，過濾，用紫外分光光度計測定其在283.3 nm下的吸光度，并計算其吸附率和吸附容量。

1.4.5 pH對試驗結(jié)果的影響

在25 ℃的條件下，配制5份初始質(zhì)量濃度為50 mg/L的硝酸鉛溶液，各取50 mL，調(diào)節(jié)pH分別為3，5，7，9和11，分別加入0.800 0 g改性花生殼離子吸附劑，吸附30 min，過濾，用紫外分光光度計測定其在283.3 nm下的吸光度，并計算其吸附率。

2 分析結(jié)果與討論

2.1 標準試驗數(shù)據(jù)

2.1.1 重金屬離子初始濃度對試驗結(jié)果的影響

從圖1可以看出，隨著重金屬離子初始濃度的增加，改性花生殼離子吸附劑的吸附率整體呈遞減的趨勢。當重金屬離子初始質(zhì)量濃度為10 mg/L時，吸附率最高為96.09%。

圖1 改性花生殼離子吸附劑初始濃度對重金屬離子清除的影響

2.1.2 吸附溫度對試驗結(jié)果的影響

如圖2所示，當吸附溫度＜50 ℃時，改性花生殼離子吸附劑的吸附率呈逐漸增加的趨勢，并且這種趨勢越來越快，在50 ℃時，開始迅速地上升，并在60℃時，改性花生殼離子吸附劑的吸附率達到最高，為97.61%。在吸附溫度＞60 ℃這個點時，改性花生殼離子吸附劑的吸附率轉(zhuǎn)而開始下降。

改性花生殼吸附重金屬離子是一個絡(luò)合反應(yīng)，屬于放熱反應(yīng)的一種，隨著吸附過程的進行，反應(yīng)的溫度會隨之升高，當反應(yīng)溫度達到一個臨界點時，溫度的增加將不再促進吸附過程的進行，過高的溫度會抑制改性花生殼上吸附基團的活性，從而降低其對于重金屬離子的吸附能力[13-14]。

2.1.3 吸附時間對試驗結(jié)果的影響

如圖3所示，當吸附時間＜90 min時，改性花生殼離子吸附劑的吸附率隨吸附時間的增加在逐漸升高，且上升速度也在逐漸加快；當吸附時間達到90 min時，改性花生殼離子吸附劑的吸附率最高，為93.66%；當吸附時間＞90 min時，改性花生殼離子吸附劑的吸附率開始降低，降低的原因可能是出現(xiàn)了解吸的現(xiàn)象[11, 14]。

圖2 改性花生殼離子吸附劑溫度對重金屬離子清除的影響

圖3 改性花生殼離子吸附劑時間對重金屬離子清除的影響

2.1.4 吸附劑用量對試驗結(jié)果的影響

如圖4所示，當吸附劑用量達到一定量時，反應(yīng)將保持平衡，若繼續(xù)增大吸附劑用量，對重金屬的吸附量反而降低。所以選擇吸附劑用量為0.6 g最為適量。

圖4 改性花生殼離子吸附劑吸附劑用量對重金屬離子清除的影響

2.1.5 pH對試驗結(jié)果的影響

如圖5所示，在整個試驗過程中，pH對試驗結(jié)果的影響呈先增后減趨勢。結(jié)果顯示，pH為7.0時，吸附率最高，為97.44%。

圖5 改性花生殼離子吸附劑pH對重金屬離子清除的影響

2.2 條件的優(yōu)化

2.2.1 浸泡時間

對于浸泡時間的篩選，是以效率的最大化為準則，即在最短的時間內(nèi)，使制備獲得的改性花生殼離子吸附劑的吸附率最高。在試驗中，分別取0.5，1，1.5，2和2.5 h的浸泡時間段，通過后續(xù)試驗來檢驗得出最佳的浸泡時間。

2.2.2 NaOH濃度

在試驗中，分別用6%，8%，10%，12%和14%的濃度的NaOH來浸泡花生殼，并通過后續(xù)試驗的結(jié)果，計算出最高吸附率，與之相對應(yīng)的即為試驗過程中NaOH的最佳濃度。

當浸泡時間＜1.5 h時，所制得的改性花生殼離子吸附劑的吸附率呈遞增的態(tài)勢，并在1.5 h時，達到最高，雖然浸泡時間＞1.5 h時，所制得的改性花生殼離子吸附劑的吸附率與浸泡15 h時相對比，吸附率的變化并不大。那么，多浸泡的這段時間，并沒有多大的必要，取浸泡1.5 h即可。

NaOH濃度的選擇，存在著一個最佳的濃度點，在試驗的過程中發(fā)現(xiàn)，當NaOH濃度＜10%時，所制得的改性花生殼離子吸附劑的吸附率是呈現(xiàn)一種遞增的趨勢，而當NaOH的濃度＞10%時，所制得的改性花生殼離子吸附劑的吸附率則開始下降。由此確定，NaOH濃度10%，為制備改性花生殼離子吸附劑的最佳試驗濃度。試驗發(fā)現(xiàn)，在10%的NaOH溶液中浸泡1.5 h所制得的改性花生殼離子吸附劑的吸附效果最好，而且試驗所需的成本也比較低。

將上述條件綜合，選擇在溫度60 ℃，pH 7的情況下，加入0.6 g的改性花生殼吸附劑對50 mL初始質(zhì)量濃度為50 mg/L的Pb2+溶液吸附90 min，效果最佳，達到最佳吸附條件時的平衡吸附率為97.13%，吸附容量為3.02 mg/g；與沒改性花生殼吸附劑相對比，改性花生殼吸附劑的吸附率提升了63.27%，吸附容量提升了1.96 mg/g，吸附容量的提升率為64.90%。

3 結(jié)論

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，開發(fā)纖維素的利用率，不僅能使資源得到充分的利用，還減少農(nóng)業(yè)廢棄物的污染。從中可以得出，使用物理化學(xué)的改性方法可以使纖維素對于重金屬離子的吸附性能有很大的提升，改性纖維素可以廣泛地在處理廢水的領(lǐng)域被應(yīng)用，并對經(jīng)濟社會具有更為廣闊的發(fā)展空間與經(jīng)濟效益。根據(jù)此次研究結(jié)果，綜合優(yōu)化吸附條件，選擇在溫度60℃，pH 7的情況下，加入0.6 g的改性花生殼吸附劑對50 mL初始質(zhì)量濃度為50 mg/L的Pb2+溶液吸附90 min，效果最佳。根據(jù)試驗探究可以看出，利用纖維素的改性可以使纖維素對于重金屬離子的吸附能力大大提升。