李芳芳 章玥琳 張 芳 陶 婉(文華學(xué)院，武漢 430074)

乙醛—硫酸改性花生殼對苯酚吸附實驗研究

李芳芳 章玥琳 張 芳*陶 婉
(文華學(xué)院，武漢 430074)

乙醛—硫酸改性花生殼經(jīng)單一變量實驗和正交試驗考察了單因素及多因素水平影響下的最佳吸附條件及先后順序，并通過掃描電鏡觀測花生殼體表特征變化。實驗結(jié)果表明，單一變量實驗最佳吸附條件為：吸附時間90min、吸附劑投加量1.0g、初始濃度30mg/L、吸附溫度40°C、緩沖液體積70mL，其吸附效率達(dá)95%以上。正交試驗中，試驗的最佳組合為：初始濃度20mg/L、吸附劑投加量1.0g、吸附溫度50°C。各因素的影響順序為:吸附劑投加量>吸附溫度>初始濃度。

改性花生殼；苯酚；吸附劑；正交試驗

花生殼作為一種來源廣泛的可再生資源，除少量作為粗飼料外，可通過集中收集，再將之簡單改性后作為一種有效吸附劑。使其具有低成本，可再生、無二次污染等突出優(yōu)點。有研究表明，花生殼是眾多吸附物質(zhì)中吸附效果最好的，且pH對其影響比較小[1]，既可治理環(huán)境污染，又可提高花生的綜合經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的開發(fā)利用前景。

工業(yè)含酚廢水主要來源于焦化、煤氣、煉油及以苯酚為原料的化工、制藥等行業(yè)，是較常見的有害工業(yè)廢水之一。其來源廣、危害大、治理難度大，成為我國水污染控制中列為重點解決的有害廢水。目前采用的除酚方法主要包括物理法、化學(xué)法、生物法三大類[2-3]。目前，利用改性物質(zhì)吸附廢水中苯酚的實驗研究較少，作為工業(yè)有機(jī)廢水中最普遍最具有代表性的物質(zhì)，本文采用乙醛—硫酸改性花生殼用于吸附水中低濃度含酚廢水，通過單一變量實驗擬合苯酚吸附熱力學(xué)及動力學(xué)曲線[4-5]，并采用正交試驗研究多因素水平影響下的最適條件[6-7]，最終通過掃描電鏡提供了直觀的科學(xué)依據(jù)，理論上可行[8-9]。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料及處理

花生殼于當(dāng)季購于武漢市某農(nóng)貿(mào)市場。去除花生殼表面的泥土用自來水洗干凈后，用蒸餾水浸泡過夜，在60°C恒溫條件下烘干至恒重，經(jīng)粉碎機(jī)打碎后，用網(wǎng)篩篩濾成粒徑不大于8mm的塊狀，密封干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 主要實驗儀器和藥品

日本島津UV2450紫外可見分光光度計；IKA C-MAG HS4磁力攪拌器；德國賽多麗斯PB-10酸度計；荷蘭Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡；體積比為1:1的硫酸；乙醛溶液；30mg/L苯酚標(biāo)準(zhǔn)使用液，避光保存；pH=5.0的醋酸—醋酸鈉緩沖溶液；

所用試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。

1.3 吸附平衡實驗

1.2.1 花生殼的改性處理

稱取100g密封保存花生殼于1000mL大燒杯中，加入1L乙醛/(1:1)硫酸混合溶液[V乙醛:V硫酸=1:5]在60℃條件下恒溫攪拌2h，于80℃烘箱中恒溫烘2h，抽濾去除溶劑，濾渣用蒸餾水清洗至中性，然后于120°C烘干，即得改性花生殼，置于干燥器中備用[10]。

1.2.2 吸附性能的確定及計算

室溫條件下，稱取一定質(zhì)量的吸附劑置于錐形瓶中，加入100mL濃度為50mg/L的苯酚溶液，振蕩攪拌2h后過濾，利用分光光度計測定濾液中的苯酚濃度。每組樣品測定三次取平均值。

吸附劑對吸附質(zhì)吸附量和去除率根據(jù)下列公式計算：

吸附量 Q=(C0-Ct)×V/m

去除率 η=(C0-Ct)/C0×100%

式中，C0和Ct分別為初始溶液濃度和吸附時間 t(h)時溶液中苯酚的濃度(mg/L)， V 為苯酚溶液體積 (mL)；m 為改性花生殼的質(zhì)量(g)．

1.4 實驗方法

1.2.3 單一變量試驗

考慮吸附溫度(T)、吸附時間(t)、pH、吸附劑投加量、待吸附溶液初始濃度及加入緩沖溶液用量來確定單一變量的最佳吸附條件。

1.2.4 正交試驗

根據(jù)正交試驗的設(shè)計方法，選取吸附溫度(A)、吸附劑投加量(B)、待吸附溶液初始濃度(C)為考察因素，采用三因素三水平正交表，即L933正交表做正交試驗。按正交表進(jìn)行試驗后，找出最佳吸附條件和影響順序[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附時間對苯酚去除率的影響

在室溫條件下，取1.2g改性花生殼投于100mL苯酚標(biāo)準(zhǔn)使用液中，加入80mLHAC-NaAC緩沖溶液，研究吸附時間對苯酚去除率的影響。結(jié)果見圖1。

圖1 吸附時間對苯酚去除率的影響

由圖1可知，改性花生殼對苯酚的去除效率并非一直呈上升趨勢，在30～60min內(nèi)有一個解吸過程，在90min達(dá)到最佳吸附時間。這在苯酚濃度為50mg/L單一變量實驗中有相同的結(jié)果。

2.2 改性花生殼的初始投加量對苯酚去除率的影響

在室溫條件下，取100mL苯酚標(biāo)準(zhǔn)使用液，加入80mL HAC-NaAC緩沖溶液,吸附時間為90min，研究改性花生殼的初始投加量對苯酚的去除率的影響。結(jié)果見圖2。

圖2 改性花生殼的投加量與苯酚去除率之間的關(guān)系

由圖2可知，隨著花生殼初始投加量的增加，苯酚的去除率逐漸上升，原因是吸附劑量的增加不僅增大了吸附面積，還增加了參與吸附官能團(tuán)的數(shù)目。當(dāng)改性花生殼的數(shù)量大于1.0g時，苯酚的吸附趨于穩(wěn)定，說明此時已經(jīng)處于平衡狀態(tài)，此時再增大吸附劑量去除率基本沒有變化。

2.3 苯酚初始濃度對苯酚去除率的影響

在室溫條件下，取1.0g改性花生殼投于100ml苯酚標(biāo)準(zhǔn)使用液中，加入80mL HAC-NaAC緩沖溶液，吸附時間為90min，研究不同初始濃度的苯酚標(biāo)準(zhǔn)使用液對苯酚去除率的影響。結(jié)果見圖3。

圖3 苯酚濃度與去除率的關(guān)系

由圖3可知，隨著苯酚濃度的增加，苯酚去除率在30mg/L時達(dá)到最佳。當(dāng)改性花生殼的初始投加量一定時，其含有的活性吸附位點也一定。苯酚濃度較低時，考慮到有一部分吸附位點未吸附，因此苯酚的濃度逐漸升高；隨著苯酚濃度的增加使其吸附位點的吸附量達(dá)到飽和，從而使苯酚的去除率降低。因此，根據(jù)苯酚濃度變化適當(dāng)調(diào)整吸附劑的投加量，才能得到較為理想的吸附效率。

2.4 吸附溫度對苯酚去除率的影響

取1.0g改性花生殼投于100mL苯酚標(biāo)準(zhǔn)使用液中，加入80mLHAC-NaAC緩沖溶液，吸附時間為90min，研究溫度對苯酚去除率的影響。結(jié)果見圖4。

圖4 溫度與去除率之間的關(guān)系

由圖4可知，在30～40°C時，改性花生殼對苯酚的去除有顯著上升，這可能是由于受溫度的影響，粒子內(nèi)的擴(kuò)散速度加快，從而提高了苯酚的去除率。40°C后，由于溫度過高，反而抑制了對苯酚的吸附，致使苯酚的吸附效率下降，這一點在苯酚的熱力學(xué)與動力學(xué)研究中也有體現(xiàn)[12]。

2.5 HAC-NaAC緩沖溶液對苯酚去除率的影響

在室溫條件下，取1.0g改性花生殼投于100mL苯酚標(biāo)準(zhǔn)使用液中，吸附時間為90min，研究加入緩沖溶液的體積對苯酚去除率的影響。結(jié)果見圖5。

圖5 緩沖溶液的用量與去除效率之間的關(guān)系

由圖5可知，隨著緩沖溶液用量的增加，苯酚的去除率也一直在增加，這可能是由于緩沖溶液的加入增加了相關(guān)電位和吸附基團(tuán)。在實驗過程中，當(dāng)緩沖溶液用量超過70mL進(jìn)行顯色反應(yīng)時，會產(chǎn)生絮狀物質(zhì)，一定程度上影響了待測樣品的吸光度并間接影響了去除率。

2.6 正交試驗確定最佳吸附條件

本試驗選用三因素三水平進(jìn)行正交試驗，結(jié)果見表1。

表1 正交表實驗結(jié)果

由正交試驗可知，最佳吸附條件為：初始濃度為20mg/L、吸附劑投加量為1.0g、吸附溫度為50°C；其影響順序依次為：吸附劑投加量>吸附溫度>初始濃度。

2.7 吸附劑表征結(jié)果與分析

花生殼改性前后的SEM 如圖6所示。

(a)改性前花生殼 (b)改性后花生殼 (c)2500X改性花生殼圖6 改性前后花生殼SEM

如圖6所示，在相同的放大倍數(shù)條件下，花生殼的比表特征發(fā)生了巨大的變化。未改性花生殼緊密的纖維素結(jié)構(gòu)通過乙醛—硫酸改性后，在花生殼表面出現(xiàn)極多的斷面和孔隙。這一定程度上增大了比表面積并得到更多的有效吸附位點，直觀的解釋了通過乙醛—硫酸改性的花生殼吸附效果更優(yōu)，并在隨后放大2500倍的改性花生殼SEM予以佐證，見圖6(c)。

3 結(jié)論

(1)未改性花生殼對苯酚的吸附效果明顯低于乙醛—硫酸改性花生殼。通過乙醛—硫酸改性的花生殼具有更大的比表面積及更多的吸附位點。

(2)乙醛—硫酸改性花生殼在單一變量試驗中各單一變量的最佳條件為：吸附時間90min、吸附劑投加量為1.0g、初始濃度為30mg/L、吸附溫度為40°C、緩沖液最佳加入量為70mL。改性花生殼對苯酚的吸附效率達(dá)95%以上。

(3)在正交試驗中，試驗的最佳組合為初始濃度為20mg/L、吸附劑投加量為1.0g、吸附溫度為50°C。影響因素的先后順序為：吸附劑投加量>吸附溫度>初始濃度。

[1] 馬靜. 天然植物材料作為吸附劑處理低濃度重金屬廢水的研究[D]. 長沙：湖南大學(xué), 2007.

[2] 蘇金鈺. 活性炭負(fù)載TiO_2催化臭氧氧化去除水中的酚[D]. 湘潭：湘潭大學(xué), 2005.

[3] 王蕾. 有機(jī)酸改性活性炭制備非均相Fenton試劑催化劑處理苯酚廢水的研究[D]. 南京：南京大學(xué), 2014.

[4] 龔正君, 張志鵬, 陳鈺. 改性花生殼對苯酚的吸附[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2012, 6(10):3591-3596.

[5] 張志鵬. 生物質(zhì)對苯酚的吸附研究[D]. 成都：西南交通大學(xué), 2012.

[6] 高岐, 王鑫. 利用改性花生殼吸附廢水中Pb～(2+)的應(yīng)用研究[J]. 天津農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 21(3):91-94.

[7] 劉智峰, 李旭. 改性花生殼吸附廢水中Cr(Ⅵ)條件的優(yōu)選試驗[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 38(29):16498-16500.

[8] 陳鈺. 生物質(zhì)材料對重金屬污染物銅的吸附研究[D].成都：西南交通大學(xué), 2014.

[9] 林芳芳. 改性花生殼對水中Cd～(2+)和Pb～(2+)的吸附特性研究[D]. 廣州:華南理工大學(xué), 2011.

[10] 宋應(yīng)華, 龔利云. 酸甲醛改性花生殼吸附Pb2+的動力學(xué)和熱力學(xué)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2011, 34(8):57-60.

[11] 邢丹. 正交試驗測定花生殼吸附Cu2+的特性研究[J]. 清洗世界, 2017, 33(1):25-28.

[12] 柴紅梅,高樓軍,李佳,等.花生殼吸附水中苯酚的熱力學(xué)與動力學(xué)研究[J].光譜實驗室, 2013, 30(6)：2882-2886.

Adsorption of Phenol by Acetaldehyde - Sulfuric acid modified peanut shells

Li Fangfang,Zhang Yuelin, Zhang Fang, Tao Wan
(Wenhua College, Wuhan 430074, China)

Acetaldehyde - Sulfuric Acid modified peanut shells were tested through the single variable experiment and orthogonal test to explore the best condition and the priority of each factor with single-factor and multi-factor. Scanning Electron Microscope( SEM) was applied to observe the changes of the surface characteristics of modified peanut shells. It is indicated that the best adsorption capacity of the single variable experiment is 90min of optimum adsorption time, 1.0g of adsorbent, 30mg/L of initial concentration, 40℃ of the adsorption temperature and 70mL of buffer solution. And the modified peanut shells' maximum adsorption efficiency of phenol is more than 95%. In the orthogonal test, the initial concentration is 20 mg/L, adsorbent is 1.0 g, and the adsorption temperature is 50℃, which is the best combination of the test. The effect of each factor rankedas：dosage of adsorbent>adsorption temperature>initial concentration.

modified peanut shell; phenol; adsorbent; orthogonal test

文華學(xué)院科研基地：土木與環(huán)境工程技術(shù)創(chuàng)新(項目編號J2013Y03)；啟林教育研究院項目：結(jié)合創(chuàng)新能力培養(yǎng)的開放性實踐教學(xué)模式探索與實踐

2017-06-13； 2017-08-10修回

李芳芳(1982-)，碩士，工程師。E-mail：61288747@qq.com

張芳(1981-)，副教授。E-mail：9026757@qq.com

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