高锰酸钾改性花生壳对含磷废水的吸附研究

李 倩

(湖北第二师范学院 a.化学与生命科学学院；b.湖北省环境净化材料工程技术研究中心，武汉 430205)

含磷废水直接或间接地危害着人类的生存环境，是当今世界面临的首要环境问题[1]。而农林废弃物产量大，价格便宜，是重要的生物质资源[2]-[7]。我国每年产生大量的农林废弃物，虽然用作饲料、肥料和制浆造纸工业原料，但其利用率不足总量的50%，仍有许多农林废弃物被弃置于自然环境或露天焚烧，不仅造成了环境污染，还浪费了宝贵资源。花生壳中含有丰富的纤维素[8]-[12]、多酚类物质、矿物质和脂肪类等，使其具有较好的吸附性能。但研究表明直接用花生壳吸附，效果不佳，故本课题组曾研究用硝酸改性花生壳，结果表面改性后花生壳对磷的吸附率可达到84.1%[13]，虽然吸附率较改性前有大幅提升，但仍有改进空间。本论文拟探讨用高锰酸钾改性后的花生壳处理含磷废水，进一步提升对磷的吸附效果。

1 材料与方法

1.1 实验原料、药品、仪器与设备

花生壳购于武汉东湖高新区某农村煮熟花生壳，含磷废水为实验室自制，实验试剂和仪器如表1、表2所示。

表1 实验药品

1.2 实验内容

1.2.1 花生壳的预处理

将花生壳用粉碎机粉碎后，过筛，用去离子水浸泡24h，去除悬浮物质，在80℃烘箱内烘干后放入干燥器中备用。

表2 实验仪器与设备

1.2.2 单因素试验

1.2.2.1 改性温度对磷吸附率的影响

称取一定量的花生壳加入0.12mmol/L的高锰酸钾溶液中，控制超声功率为70W，考察改性温度分别为35℃、45℃、55℃、65℃、75℃时对花生壳吸附磷的影响。改性30min 后取出冷却，抽滤，洗涤，烘干后加入2μg/mL的自制含磷废水溶液中，控制超声功率为100W，温度50℃，30min后取出，冷却至室温，离心，取上清液，用钼酸铵分光光度法测定滤液吸光度。

1.2.2.2 改性时间对磷吸附率的影响

考察改性时间分别为10min、30min、50min、70min、90min时对花生壳吸附磷的影响。其他操作同1.2.2.1。

1.2.2.3 超声功率对磷吸附率的影响

考察超声功率分别为40、50、60、70、80W时对花生壳吸附磷的影响。其他操作同1.2.2.1。

1.2.2.4 高锰酸钾溶液浓度对磷吸附率的影响

考察高锰酸钾浓度分别为0.03、0.06、0.12、0.24、0.48mmol/L时对花生壳吸附磷的影响。其他操作同1.2.2.1。

1.2.3 正交试验

在单因素基础上，进行四因素三水平的正交实验。因素水平表见表3。

1.3 分析方法

1.3.1 试验方法

钼酸铵分光光度法[14]测定磷的含量

表3 正交试验因素水平表

1.3.2 计算方法

用不同条件下改性后的花生壳吸附实验室自制含磷废水后，测定滤液吸光度，带入磷标准曲线计算吸附后的废水中残余的磷浓度，按以下公式计算改性花生壳对磷的吸附率：

w=[(C0-Ce)/C0]×100%

其中，w是磷的吸附率(%)，C0，Ce分别为吸附前溶液中的磷的浓度和吸附后溶液中磷的浓度(μg/mL)。

2 结果与讨论

2.1 磷标准曲线的绘制

在700n m的波长下，绘制磷质量浓度-吸光度标准曲线如图1所示。

由图1可知，拟合曲线的标准方程为y=0.42785x-0.00149，R2=0.99912，拟合较好，具有可靠性。

图1 磷标准曲线

2.2 改性温度对磷吸附率的影响

改性温度对磷吸附率的影响结果如图2所示。由图可知，随着改性时温度的逐渐升高，磷的吸附率基本呈增大趋势，即改性效果越来越好。这可能是因为随着温度的升高，用高锰酸钾溶液改性的花生壳中的纤维素被打断的越多，结晶度下降[15]，增加了很多空隙，因而比表面积增大，有效吸附位点增多，故而使改性后的磷吸附率越来越高。

图2 温度对磷吸附率的影响

2.3 改性时间对磷吸附率的影响

改性时间对磷吸附率的影响结果如图3所示。由图可知，改性花生壳的磷吸附率随着改性时间的增加呈现先增大后减小的趋势，当改性时间为50min时，磷的吸附率可高达95.57%，在一定时间范围内，改性作用逐渐增强，主要是因为随着时间的增加，纤维素的结晶度下降，花生壳比表面积增加。而超过这个时间范围时，花生壳最终的结晶度增加，比表面积减小，改性后的花生壳对磷的吸附率下降。可知，改性的时间不是越长越好，最佳改性时间为50min。

图3 时间对磷吸附率的影响

2.4 超声功率对磷吸附率的影响

超声功率对磷吸附率的影响结果如图4所示。由图4可知，改性花生壳的磷吸附率随着超声功率的增大亦呈现先增大后减小的作用。当改性时的超声功率为60W时，磷的吸附率可高达95.27%。这可能是因为在一定范围内，超声功率的增加，使溶液中分子或离子传质作用增强，使花生壳与高锰酸钾分子接触得更充分，纤维素被打断的越多，细纤维化程度增加，孔隙越多，比表面积更大，吸附位点更多，故而改性作用更好，而超过这个范围， 使分子热运动过于剧烈，使溶剂与花生壳接触时间较短，使改性作用减弱，故而对磷的吸附率下降。由此可知，最佳超声功率为60W。

图4 超声功率对磷吸附率的影响

2.5 高锰酸钾溶液浓度对磷吸附率的影响

图5 高锰酸钾溶液浓度对磷吸附率的影响

高锰酸钾溶液浓度对磷吸附率的影响结果如图5所示。由图5可知，随着高锰酸钾溶液浓度增加，磷的吸附率先增大后略有减小。当高锰酸钾溶液浓度为0.12mmol/L时，磷的吸附率可达93.87%。这主要是因为高锰酸钾溶液浓度越大，改性后的花生壳的细纤维化程度越好[16]，结晶度降低，比表面积增加，改性效果越好。而当浓度过高时，溶剂浓度增大，导致超声波的空化效应不易发生，故而使改性作用稍有减弱，磷的吸附率略有降低。故而，从经济效益和改性效果上考虑，改性所用的高锰酸钾溶液的最佳浓度应为0.12mmol/L。

2.6 正交试验结果

正交试验结果如图6所示。由图6可知，四个因素影响的主次关系如下：高锰酸钾溶液浓度>超声功率>时间>温度。理论上的最优因素水平组合为A2B1C1D1，即温度为65℃、超声功率为50W、时间为30min、高锰酸钾溶液浓度为0.06mmol/L。在此条件下改性后的花生壳对磷的吸附率高达95.87%。

图6 正交试验极差分析图

3 结论

高锰酸钾改性花生壳的最佳条件为温度65℃、超声功率50W、时间30min、高锰酸钾溶液浓度0.06mmol/L，在该条件下花生壳对磷的吸附率可达95.87%。根据以往研究成果[13]，用硝酸改性的花生壳吸附磷，吸附率最高仅达84.1%，较未改性花生壳，磷的吸附率有所提高，但不是最理想的途径。本实验中，高锰酸钾改性的花生壳对磷的吸附率大大提高，利用该法处理含磷废水具有一定的应用价值。