大孔樹脂對倍花單寧酸的吸附特性及其動力學模型

歐陽玉祝，張辭海，魏 燕

(吉首大學食品科學研究所，湖南 吉首 416000)

單寧酸是一類廣泛存在于植物組織中的多酚化合物，這種多酚結(jié)構(gòu)賦予它獨特的生理活性和優(yōu)良的抗氧化活性與自由基清除能力[1-3]，廣泛用于食品、釀酒、日化、醫(yī)藥和皮革等領(lǐng)域[4-6]。目前，單寧酸的生產(chǎn)主要以五倍子為原料，用水浸出，再用沉淀法、透析法、溶劑法、凝膠柱色譜法等方法分離純化[7-8]。倍花也是一種單寧酸生產(chǎn)原料，單寧酸含量為20%～30%。由于倍花中單寧酸含量低，雜質(zhì)含量高，分離技術(shù)難度大，至今未引起重視。而倍花原料豐富，價格低廉，具有很高的開發(fā)應用價值[9]。大孔樹脂以其分離的高效性和高選擇性被廣泛用于天然產(chǎn)物中活性成分的分離純化[10-14]。大孔樹脂的吸附量不僅與樹脂的孔徑和比表面積有關(guān)，而且與吸附的外部條件有關(guān)，其吸附能力直接影響目標產(chǎn)物的分離效率。本實驗以倍花為原料，研究D-101大孔樹脂對倍花單寧酸的吸附動力學特性和熱力學參數(shù)，研究成果能為倍花單寧酸的分離純化和開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

鉻皮粉 中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學研究所；倍花 湖南吉首市場；單寧酸標準品(含量≥99%) 中國林業(yè)科學院林產(chǎn)化工研究所；鹽酸、氫氧化鈉均為國產(chǎn)分析純；D-101大孔吸附樹脂 天津市光復精細化工研究所。

UV-2450型紫外-可見分光光度計 日本島津公司；DF-101S集熱式恒溫磁力攪拌器 鄭州長城科工貿(mào)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樹脂的預處理

大孔樹脂按參考文獻[15]進行預處理，貯存在錐形瓶中備用。

1.2.2 倍花單寧酸的制備

倍花水提物中加入一定量的石灰乳進行沉淀，抽濾，濾餅經(jīng)酸解后，抽濾，濾液真空蒸發(fā)、干燥后得淺黃色粉末。產(chǎn)品按LY/T 1642—2005《單寧酸分析實驗方法》測得單寧酸含量為81%，貯存于冰箱中備用。

1.2.3 靜態(tài)吸附實驗

用制備的倍花單寧酸產(chǎn)品(單寧酸含量為81%)配制1.0871mg/mL溶液。稱取經(jīng)預處理的濕樹脂5.000g(相當于干樹脂4g)于200mL具塞錐形瓶中，加入75mL倍花單寧酸溶液，置于恒溫磁力攪拌器上180r/min攪拌，30℃靜態(tài)吸附，每間隔10min取樣，用紫外-可見分光光度計測276nm波長處的吸光度，直到吸附平衡。結(jié)合標準曲線的回歸方程計算單寧酸質(zhì)量濃度，按式(1)、(2)計算吸附量(qt)和吸附率(A)。

式中：V為溶液體積/mL；ρ0為倍花單寧酸溶液的起始質(zhì)量濃度/(mg/mL)；ρt為t時刻倍花單寧酸溶液質(zhì)量濃度/(mg/mL)；ρe為吸附平衡時倍花單寧酸溶液質(zhì)量濃度/(mg/mL)；m為濕樹脂質(zhì)量/g。

1.2.4 吸附等溫線

稱取經(jīng)預處理的濕樹脂5.000g于200mL具塞錐形瓶中，分別加入75mL質(zhì)量濃度為1.3、2.5、5.0、7.5、9.9mg/mL的倍花單寧酸溶液，于35、40、45、50℃溫度條件下恒溫攪拌吸附直到吸附平衡，用紫外-可見分光光度計測吸附平衡時的溶液質(zhì)量濃度，建立吸附等溫線。

1.3 分析方法

倍花單寧酸根據(jù)LY/T 1642—2005法用紫外-可見光分光光度計結(jié)合標樣作定性和定量分析。

準確配制1.000mg/mL單寧酸標準溶液，將該溶液稀釋成各種梯度的標準溶液，用紫外-可見分光光度計測 276nm波長處的吸光度，繪制標準曲線，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)線性回歸得回歸方程為：ρ=0.0204A(R2=0.9996)式中：ρ為倍花單寧酸質(zhì)量濃度/(mg/mL)；A為標準溶液的吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸附動力學特性

2.1.1 吸附動力學曲線

為了考察倍花單寧酸的吸附量隨吸附時間的變化，以確定平衡吸附量，按方法1.2.3節(jié)進行吸附，每隔10min取樣分析，測定吸附10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120min時的吸附量，并以吸附量為縱坐標，吸附時間為橫坐標繪圖，結(jié)果見圖1。

圖 1 30℃時大孔樹脂對單寧酸吸附的動力學曲線Fig.1 Adsorption kinetic curve of tannic acid on macroporous resin at 30 ℃

由圖1可知，在50min內(nèi)單寧酸在樹脂上的吸附量快速增加，隨后吸附量增加變得緩慢，說明該吸附在90min時基本達到吸附平衡。

2.1.2 吸附動力學特性

為了考察倍花單寧酸在大孔樹脂上的吸附動力學特性，探討大孔樹脂對倍花單寧酸的吸附機理，用一級動力學模型、二級動力學模型和顆粒擴散動力學模型來描述吸附過程。動力學模型按式(3)～(5)表示[16]：

式中：qt為t時刻的吸附量/(mg/g)；qe為平衡吸附量/(mg/g)；k1為準一級動力學速率常數(shù)/min-1；k2為準二級動力學速率常數(shù)/(g/(mg·min))；kd為顆粒擴散動力學速率常數(shù)/(mg/(g·min1/2))；C為常數(shù)。

分別以時間t或t1/2為橫坐標，ln(qe－qt)、t/qt或qt為縱坐標繪制準一級動力學曲線、準二級動力學曲線和顆粒擴散動力學曲線，得到3條直線，經(jīng)線性回歸得3種動力學參數(shù)如表1所示。

表1 大孔樹脂對倍花單寧酸的吸附動力學參數(shù)Table 1 Kinetic parameters of tannic acid adsorption on D-101 resin

由表1 可知，二級吸附動力學的相關(guān)系數(shù)達到0.9995，顆粒擴散動力學方程的相關(guān)系數(shù)最小，僅為0.8730，說明該吸附過程符合準二級動力學模型。雖然顆粒擴散動力學模型不能描述整個吸附過程，但是可以描述一些特殊階段的吸附機理。顆粒擴散動力學曲線見圖2所示。

圖 2 顆粒擴散動力學曲線Fig.2 Kinetic curves for particle diffusion

根據(jù)Lorenc-Grabowska等[17]的研究結(jié)果，如果這條線經(jīng)過原點，且為直線，說明該過程是單一的顆粒擴散速控步驟。由圖2可知，顆粒擴散圖形不經(jīng)過原點，也不是直線，證明該過程不是唯一的顆粒擴散速控步驟，邊界層擴散也在一定程度上影響吸附過程。邊界層擴散以外(0～10min)的吸附過程包括2個階段，第一階段(10～50min)屬于逐漸吸附階段，顆粒擴散速率很小；第二階段(50～120min)被認為是最終的平衡吸附階段。因此，顆粒擴散與邊界層擴散交互影響單寧酸在D-101樹脂上的吸附。

2.2 吸附等溫線

為了更好的研究D-101樹脂的吸附特性，按1.2.4節(jié)方法進行吸附實驗，繪制樹脂在35、40、45、50℃ 4個不同溫度條件下倍花單寧酸的平衡吸附等溫線，結(jié)果如圖3所示。

圖 3 不同溫度條件下D-101樹脂對單寧酸的吸附等溫線Fig.3 Adsorption isotherms for D-101 resin at different temperatures

由圖3可知，圖中的B點4條線匯聚，認為固體表面發(fā)生的是多分子層可逆吸附，B點是樹脂上第一單分子層的平衡吸附量[18]，與經(jīng)典的BET吸附等溫線相吻合。

目前，描述吸附平衡最經(jīng)典的模型是Langmuir和Freundlich模型。這兩個模型的方程式如式(6)、(7)[11]所示：

用線性擬合來描述不同溫度條件下不同質(zhì)量濃度吸附質(zhì)和吸附劑的吸附平衡關(guān)系。以ρe為橫坐標，ρe/qe為縱坐標對Langmuir方程進行線性擬合。同時，以lnρe為橫坐標，lnqe為縱坐標對Freundlich方程進行線性擬合。不同模型擬合的相關(guān)系數(shù)列于表2。

表2 大孔樹脂對倍花單寧酸的吸附等溫線參數(shù)Table 2 Adsorption isotherm parameters of tannic acid adsorption on D-101 resin

由表2可知，各種溫度條件下的相關(guān)系數(shù)都較高。同比之下，相同溫度Langmuir方程的相關(guān)系數(shù)比Freundlich方程的相關(guān)系數(shù)都要高，說明Langmuir吸附等溫線更能準確反映該吸附過程。

2.3 吸附熱力學

吸附自由能變ΔG與平衡常數(shù)K有關(guān)，而K與Langmuir常數(shù)(KL)有關(guān)[19]，方程式如式(8)：

式中：M為單寧酸的摩爾質(zhì)量(1701g/mol)。

自由能變ΔG可由Gibbs方程求解，方程式見式(9)：

式中：R是氣體常數(shù)(8.314J/(mol·K))；T為絕對溫度(273K)。

焓變ΔH和熵變ΔS可由Van’t Hoff方程(10)計算：

以1/T為橫坐標，lnK為縱坐標對Van’t Hoff方程進行線性擬合，焓變ΔH和熵變ΔS可由直線的斜率和截距分別算出。吸附焓變及擬合直線的相關(guān)系數(shù)(R2)、吸附自由能變、吸附熵變的結(jié)果列于表3。

表3 大孔樹脂對倍花單寧酸吸附時熱力學參數(shù)Table 3 Adsorption thermodynamics parameters of tannic acid adsorption on D-101 resin

由表3可知，4個溫度的吸附自由能變都是負值，熵變?yōu)檎当砻魑竭^程是自發(fā)的，而且這4個吸附自由能變的數(shù)值很接近，說明在所做實驗的溫度范圍內(nèi)溫度不是影響吸附過程的主要因素，與參考文獻[20]報道一致。吸附焓變值也為負值，表明吸附過程是一個放熱過程，理論上升高溫度會不利于吸附。但實驗表明當溫度在35～50℃之間增加時，樹脂的吸附量也在增加。究其原因，是因為溫度升高，吸附質(zhì)的傳質(zhì)效率增加，擴散速率加快，促使吸附量增加，此為動力學控制過程；而溫度升高不利于吸附導致吸附量減小，是熱力學控制過程；由于前者影響大于后者導致吸附量稍有增加。而且吸附焓變絕對值為5.509kJ/mol，小于43kJ/mol，表明該吸附過程屬于物理吸附[21]。

3 結(jié) 論

通過研究D-101樹脂吸附倍花單寧的動力學和熱力學特性，發(fā)現(xiàn)大孔樹脂對倍花單寧酸的吸附符合準二級動力學方程模型，顆粒擴散與邊界層擴散交互影響單寧酸在D-101大孔樹脂上的吸附。D-101樹脂對倍花單寧酸的吸附符合Langmuir吸附等溫線，是一種物理吸附過程，體系放熱約為5.5kJ/mol。

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