食品廢水中檸檬黃的吸附研究

張金鳳 周柏冰

（綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061）

檸檬黃是一種人工合成的偶氮型酸性染料，其水溶液呈現(xiàn)鮮艷的嫩黃色[1]。在食品工業(yè)中，檸檬黃一般在糖果、糕點、風(fēng)味發(fā)酵乳、煉乳、飲料、果凍、膨化食品等食品中添加，使食品有更好的感官性。其廢水中，通常以3-羧基-5-羥基-1-（4-磺酸苯基）-4-（4-磺酸苯基偶氮）吡唑三鈉鹽形式存在。

目前，處理食品工業(yè)廢水的方法有很多，但吸附法由于綠色環(huán)保、脫色迅速、無需光照等優(yōu)點而備受關(guān)注。吸附法主要利用檸檬黃分子在溶液中遷移至吸附材料表面后，通過孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散，由材料表面進(jìn)入材料內(nèi)部，最后被吸附在材料內(nèi)部的活性位點上，從而實現(xiàn)脫色效果。崔巍等[2]以大孔樹脂為吸附劑對水溶液中檸檬黃進(jìn)行吸附，并對不同類型樹脂吸附行為的影響因素進(jìn)行了探究。陳玉潔等[3]以烯丙基三乙氧基硅烷與1-乙烯基-3-辛基咪唑溴鹽離子液體為單體通過自由基聚合及溶膠-凝膠制備了有機(jī)-無機(jī)雜化聚離子液體材料，通過實驗發(fā)現(xiàn)該方法制備的有機(jī)-無機(jī)雜化聚離子液體材料對廢水中的檸檬黃有一定吸附能力。張宗元[4]將β-環(huán)糊精與四氟對苯二腈聚合形成的多孔聚合物復(fù)合在磁性Fe3O4表面，得到復(fù)合材料，并進(jìn)行了檸檬黃吸附性能研究。實驗發(fā)現(xiàn)，制備的磁性多孔β-環(huán)糊精聚合物在酸性較強(qiáng)時對檸檬黃的吸附效果較好。碳納米材料是由碳元素組成，至少有一個維度在納米尺度的新型納米材料[5]。球形納米碳材料由于具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)、吸附物質(zhì)廣泛等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于污水處理方面[6]。趙曉業(yè)[7]以分散性良好的酚醛樹脂球為碳源，經(jīng)過改性摻鐵制備出磁性納米碳球，通過實驗發(fā)現(xiàn)磁性納米碳球?qū)Ρ椒游搅繛?4.2mg/g。黨銀萍[8]等制備了石墨相氮化碳，并通過石墨相氮化碳對檸檬黃染料進(jìn)行光催化降解實驗，獲得了很好的降解效果。此外，國際上對碳納米材料治理低濃度工業(yè)廢水方面普遍認(rèn)可，利用吸附法實現(xiàn)工業(yè)廢水的無公害化處理也得到了越來越廣泛的關(guān)注。

一、材料與方法

（一）材料與儀器。氫氧化鉀：天津市光復(fù)科技有限公司；葡萄糖：上海聯(lián)邁生物工程有限公司；乙醇（95%）：天津市科迪試劑廠；檸檬黃：浙江吉高德色素科技有限公司；氫氧化鈉：天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司（均為分析純）。

DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鄭州寶晶電子公司；101-OAB電熱鼓風(fēng)干燥箱：天津市泰斯特儀器廠；TU-1901雙光束紫外可見分光光度計：上海衡平儀器表廠上海佑科儀器儀表公司；Hitachi S-4800SEM電鏡：日本日立公司；D/max-2500X射線粉末衍射儀：日本理學(xué)公司；FA2014電子分析天平：深圳市徳優(yōu)平科技有限公司；TG18G臺式高速離心機(jī)：湖南凱達(dá)儀器制造廠。

（二）實驗方法。

1.碳納米球的制備。準(zhǔn)確稱取280mg氫氧化鉀，然后向其中加入50mL二次水，在室溫下攪拌使其充分溶解，量取35mL溶液備用。量取7.5g葡萄糖，并加入100mL蒸餾水?dāng)嚢枋蛊淙芙狻Ｈ∨渲煤玫钠咸烟侨芤?0mL加入到上述備用的溶液中，繼續(xù)攪拌1h。將攪拌好的上述溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)膽中，裝入到不銹鋼釜殼中旋緊，放入到電熱鼓風(fēng)干燥箱中220℃下水熱8h。

取出水熱合成反應(yīng)釜，待其自然降溫后取出聚四氟乙烯內(nèi)膽，將下層黑色物質(zhì)進(jìn)行抽濾，然后用蒸餾水和95%的乙醇反復(fù)抽洗至中性。水?dāng)D干后放入烘箱，在60℃下烘干至恒重，取出研磨至粉末狀，得到碳納米球吸附劑。

2.碳納米球的表征。所獲得的樣品通過Hitachi S-4800掃描電子顯微鏡和D/max-2500X射線粉末衍射儀進(jìn)行表征。得到碳納米球樣品的掃描電鏡圖和X射線衍射圖。

3.碳納米球吸附檸檬黃的測試。

（1）檸檬黃最大吸收波長的測定。根據(jù)文獻(xiàn)將檸檬黃溶液在250nm～600nm范圍內(nèi)進(jìn)行掃描[9]。

（2）檸檬黃色素吸附率的測定標(biāo)準(zhǔn)。碳納米球?qū)幟庶S色素的吸附效果以溶液吸光度的變化為測定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)下式計算其吸附率[10]：

式中：A0為檸檬黃溶液吸附前的吸光度；

A為檸檬黃溶液吸附后的吸光度。

（3）吸附時間對檸檬黃吸附效果的影響。取配置好的20mg/L的檸檬黃溶液25mL倒入50mL燒杯中。稱取0.1g碳納米球吸附劑，攪拌均勻的同時調(diào)節(jié)pH為4。在室溫下用磁力攪拌器攪拌20min，期間每隔4min抽取適量吸附液進(jìn)行離心，待離心完成后取適量上清液。利用雙光束紫外可見分光光度計測其吸光度并計算碳納米球的吸附率。

（4）濃度對檸檬黃吸附效果的影響。分別配置10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L的檸檬黃溶液，各取25mL倒入到50mL燒杯中。稱取0.1g碳納米球吸附劑，攪拌均勻的同時調(diào)節(jié)pH為4。并在室溫下用磁力攪拌器攪拌16min，攪拌時間到達(dá)后進(jìn)行離心，待離心完成后取適量上清液，利用紫外可見分光光度計測定其吸光度值并計算碳納米球的吸附率。

（5）pH值對檸檬黃吸附效果的影響。用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)濃度為20mg/L的檸檬黃溶液使pH值分別為2、4、6，各取25mL倒入到50mL燒杯中。稱取0.1g碳納米球吸附劑，攪拌均勻。在室溫下用磁力攪拌器攪拌16min，攪拌時間到達(dá)后進(jìn)行離心，待離心完成后取適量上清液。利用紫外可見分光光度計測定其吸光度值并計算碳納米球的吸附率。

（6）吸附劑用量對檸檬黃吸附效果的影響。配置20 mg/L的檸檬黃溶液，取25mL倒入100mL燒杯中，在天平上準(zhǔn)確稱取0.05g，0.1g，0.15g碳納米球材料倒入含25mL檸檬黃溶液燒杯中，并在室溫下用磁力攪拌器攪拌16min，攪拌時間到達(dá)后進(jìn)行離心，待離心完成后取適量上清液，利用紫外可見分光光度計測定其吸光度值并計算碳納米球的吸附率。

（7）不同吸附劑對檸檬黃吸附效果的影響。分別稱取大孔樹脂，碳納米球材料，活性炭各0.1g。分別加入到25mL上述檸檬黃溶液的100mL燒杯中。用標(biāo)準(zhǔn)HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH到4。在室溫下攪拌16min，攪拌時間到達(dá)后進(jìn)行離心，待離心后取適量上清液，利用紫外可見分光光度計測定其吸光度值并計算碳納米球的吸附率。

（8）碳納米球?qū)幟庶S的吸附。配置20mg/L的檸檬黃溶液，在溶液pH為4的條件下，取0.1g合成的碳納米球材料置于25mL的檸檬黃溶液中，持續(xù)攪拌均勻，每隔4min，抽取適量液體進(jìn)行離心，待離心完成后，利用紫外可見分光光度計測定其吸光度值并計算碳納米球材料對檸檬黃的吸附率。

二、結(jié)果與分析

（一）樣品的表征結(jié)果及分析。

1.SEM掃描電鏡分析。碳納米球的掃描電鏡表征結(jié)果如圖1所示。

圖1 碳納米球樣品的掃描電鏡圖

由圖1可知，該方法制備的碳納米球的形態(tài)分布較為均勻，但交聯(lián)較為嚴(yán)重，碳納米球直徑為250nm。

2.XRD分析。對碳納米球進(jìn)行X-射線衍射分析，得到的X-射線衍射如圖2所示。

圖2 碳納米球的XRD圖

由圖2可知，該方法制備的碳納米球衍射峰與FDP卡片中非晶態(tài)碳衍射峰一致[11]。

（二）納米碳球吸附檸檬黃的測試。

1.檸檬黃最大吸收波長的測定。檸檬黃色素的紫外可見光吸收曲線如圖3所示[10]。

圖3 檸檬黃溶液紫外可將光吸收曲線

由圖3可知，檸檬黃溶液在426nm處有最大吸收。故確定以426nm處吸光度變化考察碳納米球?qū)幟庶S溶液的吸附效果。

2.反應(yīng)時間對檸檬黃吸附效果的影響。不同反應(yīng)時間對檸檬黃吸附效果的影響如圖4所示。

圖4 反應(yīng)時間對檸檬黃吸附效果的影響

由圖4可知，反應(yīng)在0～16min內(nèi)，碳納米球?qū)幟庶S的吸附率隨著反應(yīng)時間的增加而升高，反應(yīng)時間在16min～20 min范圍內(nèi)，碳納米球?qū)幟庶S的吸附率波動逐漸趨于平穩(wěn)。綜合考慮，反應(yīng)時間為16min時，碳納米球吸附檸檬黃效果較好，其吸附率可達(dá)93.7%，該條件下碳納米球?qū)幟庶S的吸附有較大的應(yīng)用價值。

3.不同濃度對檸檬黃吸附效果的影響。不同底物濃度對檸檬黃吸附效果的影響如圖5所示所示。

圖5 底物濃度對檸檬黃吸附效果的影響

由圖可知，檸檬黃濃度在0～20mg/L時，碳納米球?qū)幟庶S的吸附率隨著檸檬黃濃度的增加而增高。檸檬黃濃度在20mg/L之后，碳納米球?qū)幟庶S的吸附率逐漸下降。所以，當(dāng)檸檬黃濃度為20mg/L時，碳納米球吸附檸檬黃效果較好。

4.不同pH值對檸檬黃吸附效果的影響。不同pH值對檸檬黃吸附效果的影響如圖6所示。

圖6 pH對檸檬黃吸附效果的影響

有圖6可知，pH值從2上升到4時，吸附增大，此后溶液隨pH值的增大吸附率開始下降，故當(dāng)pH值為4時，碳納米球?qū)幟庶S的吸附效果最好，此時吸附率達(dá)90%以上。

5.吸附劑用量對檸檬黃吸附效果的影響。吸附劑用量不同對檸檬黃吸附效果的影響如圖7所示。

圖7 催化劑用量對檸檬黃吸附效果的影響

由圖7可知，吸附劑用量在0.05g～0.15g的過程中，碳納米球?qū)幟庶S的吸附率隨吸附劑用量的增加而增大。但在0.10g～0.15g范圍內(nèi)碳納米球?qū)幟庶S的吸附率隨吸附劑用量的增加而增加的較為緩慢。綜合成本和后續(xù)分離吸附劑等因素，選擇吸附劑的用量為0.10g最適合。

6.不同吸附劑對檸檬黃吸附效果的影響。不同吸附劑對檸檬黃吸附效果的影響如圖8所示：

圖8 催化劑種類對檸檬黃吸附效果的影響

由圖8可知，碳納米球?qū)幟庶S的吸附效果遠(yuǎn)高于大孔樹脂和活性炭的吸附效果，因而碳納米球材料對工業(yè)廢水中檸檬黃的吸附有較好的研究價值。

7.碳納米球?qū)幟庶S的吸附。碳納米微球?qū)幟庶S的吸附效果如圖9所示。

圖9 催碳納米微球?qū)幟庶S的吸附效果

由圖9可知，碳納米球的吸附能力較為優(yōu)異，在30min時其吸附量可達(dá)200.9g/mg，在16min時吸附量可達(dá)200g/mg。綜合來看碳納米球可在短時間內(nèi)實現(xiàn)對檸檬黃的高效吸附。

三、結(jié)語

本文主要以葡萄糖為原料，采用軟模板法在適宜條件下合成碳納米球，并利用SEM、XRD對其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。同時考察了吸附時間、pH值、吸附劑用量等因素對檸檬黃溶液吸附性能的影響，考究了合成碳納米球的優(yōu)勢所在。得到以下結(jié)論：

（一）通過SEM掃描電鏡分析可知，制備的碳納米球的形態(tài)為球形，球大小較為均勻，但交聯(lián)較為嚴(yán)重，碳納米球直徑為250nm。

（二）通過碳納米球吸附劑對食品工業(yè)廢水中檸檬黃吸附性能的影響因素研究可知：碳納米球吸附劑的最佳吸附時間為16min，最佳pH為4，最佳用量為0.1g。檸檬黃的最佳吸附濃度為20mg/L。

（三）通過碳納米球?qū)幟庶S的吸附效果與大孔樹脂和活性炭對檸檬黃吸附效果的對比可知，碳納米球?qū)幟庶S的吸附效果遠(yuǎn)高于大孔樹脂和活性炭對檸檬黃的吸附效果。