乙醛—硫酸改性花生壳对苯酚吸附实验研究

李芳芳 章玥琳 张 芳 陶 婉(文华学院，武汉 430074)

乙醛—硫酸改性花生壳对苯酚吸附实验研究

李芳芳 章玥琳 张 芳*陶 婉
(文华学院，武汉 430074)

乙醛—硫酸改性花生壳经单一变量实验和正交试验考察了单因素及多因素水平影响下的最佳吸附条件及先后顺序，并通过扫描电镜观测花生壳体表特征变化。实验结果表明，单一变量实验最佳吸附条件为：吸附时间90min、吸附剂投加量1.0g、初始浓度30mg/L、吸附温度40°C、缓冲液体积70mL，其吸附效率达95%以上。正交试验中，试验的最佳组合为：初始浓度20mg/L、吸附剂投加量1.0g、吸附温度50°C。各因素的影响顺序为:吸附剂投加量>吸附温度>初始浓度。

改性花生壳；苯酚；吸附剂；正交试验

花生壳作为一种来源广泛的可再生资源，除少量作为粗饲料外，可通过集中收集，再将之简单改性后作为一种有效吸附剂。使其具有低成本，可再生、无二次污染等突出优点。有研究表明，花生壳是众多吸附物质中吸附效果最好的，且pH对其影响比较小[1]，既可治理环境污染，又可提高花生的综合经济效益，具有广阔的开发利用前景。

工业含酚废水主要来源于焦化、煤气、炼油及以苯酚为原料的化工、制药等行业，是较常见的有害工业废水之一。其来源广、危害大、治理难度大，成为我国水污染控制中列为重点解决的有害废水。目前采用的除酚方法主要包括物理法、化学法、生物法三大类[2-3]。目前，利用改性物质吸附废水中苯酚的实验研究较少，作为工业有机废水中最普遍最具有代表性的物质，本文采用乙醛—硫酸改性花生壳用于吸附水中低浓度含酚废水，通过单一变量实验拟合苯酚吸附热力学及动力学曲线[4-5]，并采用正交试验研究多因素水平影响下的最适条件[6-7]，最终通过扫描电镜提供了直观的科学依据，理论上可行[8-9]。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料及处理

花生壳于当季购于武汉市某农贸市场。去除花生壳表面的泥土用自来水洗干净后，用蒸馏水浸泡过夜，在60°C恒温条件下烘干至恒重，经粉碎机打碎后，用网筛筛滤成粒径不大于8mm的块状，密封干燥保存备用。

1.2 主要实验仪器和药品

日本岛津UV2450紫外可见分光光度计；IKA C-MAG HS4磁力搅拌器；德国赛多丽斯PB-10酸度计；荷兰Quanta200环境扫描电子显微镜；体积比为1:1的硫酸；乙醛溶液；30mg/L苯酚标准使用液，避光保存；pH=5.0的醋酸—醋酸钠缓冲溶液；

所用试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

1.3 吸附平衡实验

1.2.1 花生壳的改性处理

称取100g密封保存花生壳于1000mL大烧杯中，加入1L乙醛/(1:1)硫酸混合溶液[V乙醛:V硫酸=1:5]在60℃条件下恒温搅拌2h，于80℃烘箱中恒温烘2h，抽滤去除溶剂，滤渣用蒸馏水清洗至中性，然后于120°C烘干，即得改性花生壳，置于干燥器中备用[10]。

1.2.2 吸附性能的确定及计算

室温条件下，称取一定质量的吸附剂置于锥形瓶中，加入100mL浓度为50mg/L的苯酚溶液，振荡搅拌2h后过滤，利用分光光度计测定滤液中的苯酚浓度。每组样品测定三次取平均值。

吸附剂对吸附质吸附量和去除率根据下列公式计算：

吸附量 Q=(C0-Ct)×V/m

去除率 η=(C0-Ct)/C0×100%

式中，C0和Ct分别为初始溶液浓度和吸附时间 t(h)时溶液中苯酚的浓度(mg/L)， V 为苯酚溶液体积 (mL)；m 为改性花生壳的质量(g)．

1.4 实验方法

1.2.3 单一变量试验

考虑吸附温度(T)、吸附时间(t)、pH、吸附剂投加量、待吸附溶液初始浓度及加入缓冲溶液用量来确定单一变量的最佳吸附条件。

1.2.4 正交试验

根据正交试验的设计方法，选取吸附温度(A)、吸附剂投加量(B)、待吸附溶液初始浓度(C)为考察因素，采用三因素三水平正交表，即L933正交表做正交试验。按正交表进行试验后，找出最佳吸附条件和影响顺序[11]。

2 结果与讨论

2.1 吸附时间对苯酚去除率的影响

在室温条件下，取1.2g改性花生壳投于100mL苯酚标准使用液中，加入80mLHAC-NaAC缓冲溶液，研究吸附时间对苯酚去除率的影响。结果见图1。

图1 吸附时间对苯酚去除率的影响

由图1可知，改性花生壳对苯酚的去除效率并非一直呈上升趋势，在30～60min内有一个解吸过程，在90min达到最佳吸附时间。这在苯酚浓度为50mg/L单一变量实验中有相同的结果。

2.2 改性花生壳的初始投加量对苯酚去除率的影响

在室温条件下，取100mL苯酚标准使用液，加入80mL HAC-NaAC缓冲溶液,吸附时间为90min，研究改性花生壳的初始投加量对苯酚的去除率的影响。结果见图2。

图2 改性花生壳的投加量与苯酚去除率之间的关系

由图2可知，随着花生壳初始投加量的增加，苯酚的去除率逐渐上升，原因是吸附剂量的增加不仅增大了吸附面积，还增加了参与吸附官能团的数目。当改性花生壳的数量大于1.0g时，苯酚的吸附趋于稳定，说明此时已经处于平衡状态，此时再增大吸附剂量去除率基本没有变化。

2.3 苯酚初始浓度对苯酚去除率的影响

在室温条件下，取1.0g改性花生壳投于100ml苯酚标准使用液中，加入80mL HAC-NaAC缓冲溶液，吸附时间为90min，研究不同初始浓度的苯酚标准使用液对苯酚去除率的影响。结果见图3。

图3 苯酚浓度与去除率的关系

由图3可知，随着苯酚浓度的增加，苯酚去除率在30mg/L时达到最佳。当改性花生壳的初始投加量一定时，其含有的活性吸附位点也一定。苯酚浓度较低时，考虑到有一部分吸附位点未吸附，因此苯酚的浓度逐渐升高；随着苯酚浓度的增加使其吸附位点的吸附量达到饱和，从而使苯酚的去除率降低。因此，根据苯酚浓度变化适当调整吸附剂的投加量，才能得到较为理想的吸附效率。

2.4 吸附温度对苯酚去除率的影响

取1.0g改性花生壳投于100mL苯酚标准使用液中，加入80mLHAC-NaAC缓冲溶液，吸附时间为90min，研究温度对苯酚去除率的影响。结果见图4。

图4 温度与去除率之间的关系

由图4可知，在30～40°C时，改性花生壳对苯酚的去除有显著上升，这可能是由于受温度的影响，粒子内的扩散速度加快，从而提高了苯酚的去除率。40°C后，由于温度过高，反而抑制了对苯酚的吸附，致使苯酚的吸附效率下降，这一点在苯酚的热力学与动力学研究中也有体现[12]。

2.5 HAC-NaAC缓冲溶液对苯酚去除率的影响

在室温条件下，取1.0g改性花生壳投于100mL苯酚标准使用液中，吸附时间为90min，研究加入缓冲溶液的体积对苯酚去除率的影响。结果见图5。

图5 缓冲溶液的用量与去除效率之间的关系

由图5可知，随着缓冲溶液用量的增加，苯酚的去除率也一直在增加，这可能是由于缓冲溶液的加入增加了相关电位和吸附基团。在实验过程中，当缓冲溶液用量超过70mL进行显色反应时，会产生絮状物质，一定程度上影响了待测样品的吸光度并间接影响了去除率。

2.6 正交试验确定最佳吸附条件

本试验选用三因素三水平进行正交试验，结果见表1。

表1 正交表实验结果

由正交试验可知，最佳吸附条件为：初始浓度为20mg/L、吸附剂投加量为1.0g、吸附温度为50°C；其影响顺序依次为：吸附剂投加量>吸附温度>初始浓度。

2.7 吸附剂表征结果与分析

花生壳改性前后的SEM 如图6所示。

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

如图6所示，在相同的放大倍数条件下，花生壳的比表特征发生了巨大的变化。未改性花生壳紧密的纤维素结构通过乙醛—硫酸改性后，在花生壳表面出现极多的断面和孔隙。这一定程度上增大了比表面积并得到更多的有效吸附位点，直观的解释了通过乙醛—硫酸改性的花生壳吸附效果更优，并在随后放大2500倍的改性花生壳SEM予以佐证，见图6(c)。

3 结论

(1)未改性花生壳对苯酚的吸附效果明显低于乙醛—硫酸改性花生壳。通过乙醛—硫酸改性的花生壳具有更大的比表面积及更多的吸附位点。

(2)乙醛—硫酸改性花生壳在单一变量试验中各单一变量的最佳条件为：吸附时间90min、吸附剂投加量为1.0g、初始浓度为30mg/L、吸附温度为40°C、缓冲液最佳加入量为70mL。改性花生壳对苯酚的吸附效率达95%以上。

(3)在正交试验中，试验的最佳组合为初始浓度为20mg/L、吸附剂投加量为1.0g、吸附温度为50°C。影响因素的先后顺序为：吸附剂投加量>吸附温度>初始浓度。

[1] 马静. 天然植物材料作为吸附剂处理低浓度重金属废水的研究[D]. 长沙：湖南大学, 2007.

[2] 苏金钰. 活性炭负载TiO_2催化臭氧氧化去除水中的酚[D]. 湘潭：湘潭大学, 2005.

[3] 王蕾. 有机酸改性活性炭制备非均相Fenton试剂催化剂处理苯酚废水的研究[D]. 南京：南京大学, 2014.

[4] 龚正君, 张志鹏, 陈钰. 改性花生壳对苯酚的吸附[J]. 环境工程学报, 2012, 6(10):3591-3596.

[5] 张志鹏. 生物质对苯酚的吸附研究[D]. 成都：西南交通大学, 2012.

[6] 高岐, 王鑫. 利用改性花生壳吸附废水中Pb～(2+)的应用研究[J]. 天津农业科学, 2015, 21(3):91-94.

[7] 刘智峰, 李旭. 改性花生壳吸附废水中Cr(Ⅵ)条件的优选试验[J]. 安徽农业科学, 2010, 38(29):16498-16500.

[8] 陈钰. 生物质材料对重金属污染物铜的吸附研究[D].成都：西南交通大学, 2014.

[9] 林芳芳. 改性花生壳对水中Cd～(2+)和Pb～(2+)的吸附特性研究[D]. 广州:华南理工大学, 2011.

[10] 宋应华, 龚利云. 酸甲醛改性花生壳吸附Pb2+的动力学和热力学研究[J]. 环境科学与技术, 2011, 34(8):57-60.

[11] 邢丹. 正交试验测定花生壳吸附Cu2+的特性研究[J]. 清洗世界, 2017, 33(1):25-28.

[12] 柴红梅,高楼军,李佳,等.花生壳吸附水中苯酚的热力学与动力学研究[J].光谱实验室, 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

文华学院科研基地：土木与环境工程技术创新(项目编号J2013Y03)；启林教育研究院项目：结合创新能力培养的开放性实践教学模式探索与实践

2017-06-13； 2017-08-10修回

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

张芳(1981-)，副教授。E-mail：9026757@qq.com

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