柚子皮生物吸附劑化學改性及其對Pb2+吸附性能的研究

吳專麗，冶鵬輝，張 浩，何昌樹，曹 竑*

（西北民族大學生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國工業的快速發展，廢水大量產生和排放，土壤和水源中重金屬離子含量也快速增加，重金屬污染問題日益嚴重，其中鉛污染帶來的危害不容小視，經食物鏈富集給人類健康帶來嚴重的威脅。研究表明，環境中的鉛離子及其化合物主要是通過皮膚、消化道、呼吸道進入體內與多種器官親和，對神經、血液、消化、心腦血管、泌尿等多個系統造成損害，嚴重影響體內新陳代謝[1]。柚子屬于農林廢棄物，皮相對較厚，約占整個柚子重量的44%～54%，主要成分是纖維素、半纖維素、木質素、果膠和水分[2]。本研究主要以常見的農林廢棄物--柚子皮為原材料通過化學改性制備生物吸附劑，用于吸附溶液中鉛離子，一方面可實現農林廢棄物的再利用，變廢為寶，另一方面，合成的生物吸附劑處理含鉛廢水，具有原料來源廣泛，成本低廉，操作簡單等優點[3]，而且廢水中的鉛離子被吸附后，通過解吸、富集，還可以作為鉛資源進行回收，實現金屬的循環利用，對資源的綜合利用以及環境的可持續發展具有雙重意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

柚子皮、氫氧化鈉、巰基乙酸、乙醇，所用試劑均為分析純，金屬鉛粉。

1.2 實驗儀器

粉碎機、篩子、磁力攪拌機、抽濾、WFX-130B原子吸收分光光度計、電子分析天平。

1.3 方法

1.3.1 金屬鉛廢水的制備

稱取金屬鉛1.000g，至于1000mL大燒杯中，后加入50mL硝酸使金屬鉛溶解。攪拌均勻后將其轉移至1000mL容量瓶內，加蒸餾水至刻度線，此時得到濃度為1mg/mL的含鉛廢水，用時按比例稀釋成所需要的濃度。

1.3.2 未改性的柚子皮粉末吸附劑的制備

用蒸餾水清洗新鮮的柚子2～3次，剝皮后將柚子皮切成大小均勻的約2cm×2cm的塊狀，置于干燥箱內70℃恒溫干燥至質量恒定，經過粉碎機粉碎后過40目篩即可得到，收集后干燥密封保存。

1.3.3 堿改性的柚子皮粉吸附劑的制備

稱取20g未改性柚子皮粉末，加入0.1mol/L的NaOH溶液300mL，勻速攪拌5h，然后在室溫下抽濾，并且使用蒸餾水清洗多次至濾液pH=7.0，得到糕餅狀的抽濾產物，將其放入35℃干燥箱中烘干24 h，收集后干燥密封保存。

1.3.4 巰基乙酸改性的柚子皮粉末吸附劑的制備

稱取20g經過氫氧化鈉處理的柚子皮粉末,用1%巰基乙酸浸泡12h進行改性,在室溫下抽濾的同時用蒸餾水反復清洗至濾液接近pH=7.0、于35℃干燥箱干燥24h,收集后干燥密封保存。

1.3.5 比較3種吸附劑粉末對鉛離子的吸附能力

分別稱取1.0g粒度為40目的上述3種柚子皮粉末置于三個100mL燒杯中并做好標記，分別加入50mL濃度為0.5mg/L的鉛離子模擬廢水，勻速攪拌2h，靜置30min后使用濾紙過濾得到澄清液。用原子分光光度計分別測量3種澄清液中的鉛離子濃度，進行比較分析，測量結果如圖1。

圖1 3種吸附劑粉末對鉛離子的吸附能力

1.3.6 比較酸堿度對3種柚子皮吸附劑粉末吸附能力的影響

取12個100mL的燒杯，分別標記A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4。在12個燒杯中各加入50mL濃度為0.5mg/L的鉛離子模擬廢水，在A燒杯中均加入1g未改性的柚子皮粉末，B燒杯中均加入1g堿改性的柚子皮粉末，C燒杯中均加入1g巰基乙酸改性的柚子皮粉末，攪拌搖勻后，為編號為1的四個燒杯按順序分別調節pH值為2、4、6、8，編號為2、3、4的燒杯作上述同樣處理。然后將12個處理迅速攪拌2h，靜置30min后使用濾紙過濾得到澄清液。用原子分光光度計分別測量這12個樣中鉛離子的濃度，實驗結果如圖2。

圖2 酸堿度對3種柚子皮吸附劑粉末吸附能力的影響

1.3.7比較溫度對3種柚子皮吸附劑粉末吸附能力的影響

取 6個 100mL燒杯，標記 A1、A2、A3、A4、A5、A6。在6個燒杯中各加入50mL濃度為0.5mg/L的鉛離子模擬廢水，和1g未改性的柚子皮粉末，調節pH=4后分別置于溫度為25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃恒溫水浴鍋中攪拌2h，靜置30min后使用濾紙過濾得到澄清液，用原子分光光度計分別測量這6個樣中鉛離子的濃度，實驗結果如圖3。

圖3 溫度對3種柚子皮吸附劑粉末吸附能力的影響

1.3.8 篩選出最佳條件后比較3種柚子皮粉末吸附能力

在初步試驗基礎上確定最佳吸附環境溫度和溶液酸堿度，再此理論最佳條件下進行吸附試驗，實驗結果如圖4

2 實驗結果與分析

2.1 3種吸附劑粉末對鉛離子的吸附能力

結果表明，在常溫（25℃） 狀態下，巰基乙酸改性柚子皮吸附能力最強，達到未改性柚子皮吸附能力的3倍之多，堿改性柚子皮吸附能力相比未改性柚子皮略有增強。推測經處理后，柚子皮表面結構發生利于改變吸附方向的改變。經堿處理，柚子皮表面部分木質素被去除，使得纖維素更粗糙并出現許多不規則小孔，吸附量增加。巰基乙酸改性柚子皮吸附能力顯著提高，說明它在柚子皮表面引入的巰基能有效地與鉛離子結合。

圖4 最佳條件3種柚子皮粉末吸附能力比較

2.2 酸堿度對3種柚子皮吸附劑粉末吸附能力的影響

實驗表明，當pH＜4時，3種吸附劑的吸附能力均隨pH的升高而升高；在pH＞4時，隨pH升高而降低。且當溶液為堿性時，其吸附能力急劇下降。推測當pH極低時，氫離子質量濃度較高與鉛離子競爭可吸附基團，當溶液為堿性時，氫氧根濃度較高，與鉛離子形成沉淀而無法被吸附基團吸附。

2.3 溫度對3種柚子皮吸附劑粉末吸附能力的影響

實驗表明，溫度對3種柚子皮粉末吸附劑的影響較小，但整體呈現隨溫度升高而升高的趨勢。推測是由于溫度升高，鉛離子運動速率增加，單位時間內吸附量增多。但在實際應用中，加熱需要消耗大量熱能，增加成本，故建議在常溫下進行即可。

2.4 理論最佳條件下3種柚子皮粉末吸附能力比較

此時在溶液pH=4，溫度為45℃的條件下進行試驗，得到未改性柚子皮粉末吸附率為10%，堿改性柚子皮粉末吸附率為17%，巰基乙酸改性柚子皮粉末吸附率為30%。

3 結論

巰基乙酸改性柚子皮粉末吸附鉛離子能力顯著高于其他兩種吸附劑，其次為堿改性柚子皮。酸堿度對吸附能力的影響較大，其中酸性條件下吸附能力強于堿性環境，但若酸性過強則抑制其吸附鉛離子。溫度對柚子皮吸附能力的影響較小，總體呈現隨溫度升高吸附效率升高趨勢。