改性冰糖橙皮渣對(duì)結(jié)晶紫及亞甲基藍(lán)的吸附性能

阮尚全,裴紅梅,孫苗佳

(1.內(nèi)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,四川內(nèi)江 641199; 2.四川省高等學(xué)校果類廢棄物資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川內(nèi)江 641199)

冰糖橙為湖南省20世紀(jì)70年代選育出來(lái)的重點(diǎn)推廣品種,主產(chǎn)于湖南,云貴川渝、兩廣有少量栽培,2018年僅麻陽(yáng)縣栽植面積已達(dá)25萬(wàn)畝,年產(chǎn)量40萬(wàn)噸[1],按可食率72%～75%計(jì)算,榨汁加工后將產(chǎn)生約11萬(wàn)噸果皮渣,其深度利用具有重要意義,目前鮮見(jiàn)研究報(bào)道[2-3]。

印染廢水約占工業(yè)廢水的30%～40%,其處理狀況一直深受關(guān)注,目前處理方法主要有生物法、萃取法、吸附法、化學(xué)氧化法、高級(jí)氧化法等,為解決傳統(tǒng)處理法中存在的諸多問(wèn)題,近年來(lái)尋找來(lái)源廣、價(jià)格低廉的生物質(zhì)材料成為了國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[4-6]。農(nóng)林廢棄物是存在大量活性基團(tuán)和豐富毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的天然基材,用于處理廢水,既可實(shí)現(xiàn)資源綜合利用,又可達(dá)到“以廢治廢”的目的。原料經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)處理后,能有效改變其界面性能,提高吸附效果和擴(kuò)大應(yīng)用范圍,是近年研究者關(guān)注的重點(diǎn)[7-8]。研究顯示這些生物質(zhì)材料用微波處理后會(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變和極性變化,產(chǎn)生新的吸附機(jī)理,提高吸附性能[9-10]。磷酸是生物吸附劑的良好改性劑之一,文獻(xiàn)[11-14]采用磷酸改性生物材料后發(fā)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)改變,能改善材料的粒徑分布和化學(xué)性質(zhì),提高其表面活性,明顯提高吸附能力。

本實(shí)驗(yàn)利用微波、磷酸對(duì)提取了精油后的冰糖橙皮殘?jiān)M(jìn)行了雙改性,制得了新的吸附劑,并與未改性殘?jiān)M(jìn)行對(duì)照研究,探討其去除結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)的能力,以期為冰糖橙皮渣的進(jìn)一步綜合利用提供實(shí)驗(yàn)方法和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

結(jié)晶紫、亞甲基藍(lán)、磷酸 均為分析純,成都科龍化工試劑廠;冰糖橙皮殘?jiān)?采自內(nèi)江一食品有限公司;實(shí)驗(yàn)用水 蒸餾水。

UWave-1000型微波·紫外·超聲波三位一體合成萃取反應(yīng)儀 上海新儀微波化學(xué)科技有限公司;T6型新世紀(jì)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;SHA-B雙功能水浴恒溫震蕩儀 上海璽袁科學(xué)儀器有限公司;TDL-5-A型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;FA2204A 電子天平 上海精天電子儀器有限公司;電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;DFT-100型粉碎機(jī) 溫嶺林大機(jī)械廠;WQF-510A傅里葉紅外光譜儀 北分瑞利分析儀器有限公司;VEGA3SBH掃描電子顯微鏡 泰思肯貿(mào)易有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 改性材料的制備 取冰糖橙皮殘?jiān)陔姛峁娘L(fēng)干燥箱中65 ℃烘干后,按料液比為1∶5 g/mL加入濃度為25%的磷酸溶液浸泡24 h后于85 ℃時(shí)恒溫處理24 h,以300 W微波輻射3 min,用蒸餾水洗至中性,再在85 ℃下烘干至恒重,粉碎并過(guò)50目分樣篩,得到改性吸附劑。以不加磷酸和微波改性,按相同程序處理冰糖橙皮殘?jiān)玫轿锤男晕絼?/p>

1.2.2 吸附劑的表征 取改性前、改性后的吸附劑置于SBC-12離子濺射儀中抽真空、噴金鍍膜制樣,置于VEGA3SBH掃描電子顯微鏡樣品臺(tái)上放大500倍觀察并攝像,考查其形貌特性。取改性前、改性后的吸附劑加KBr(1∶200，質(zhì)量比)制樣,于WQF-510A傅里葉紅外光譜儀上,在波數(shù)為400～4000 cm-1范圍進(jìn)行光譜掃描,考查其結(jié)構(gòu)特征。

1.2.3 吸附實(shí)驗(yàn) 向錐形瓶中加入一定量改性(或未改性)吸附劑和一定濃度的結(jié)晶紫或亞甲基藍(lán)溶液50 mL,以塑料膜封口并戳一小孔保持瓶?jī)?nèi)外壓力平衡,在一定pH和溫度條件下水浴振蕩吸附,然后在4000 r/min下離心10 min。測(cè)定濾液的吸光度,計(jì)算去除率。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn) 按照1.2.3以改性吸附劑(或未改性吸附劑)用量0.1 g、染料初始濃度100 mg·L-1、吸附時(shí)間1.5 h、pH7、吸附溫度30 ℃為固定水平,考查各單因素變化對(duì)兩種染料去除率的影響。吸附結(jié)晶紫的因素水平:吸附劑用量0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 g,初始濃度 50、100、150、200、250 mg·L-1,吸附時(shí)間20、40、60、90、120、150、180、210 min,pH2、3、4、5、6、7、8、9,溫度20、30、40、50、60、70 ℃;吸附亞甲基藍(lán)的因素水平:吸附劑用量0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 g,初始濃度50、100、150、200、250、300 mg·L-1,吸附時(shí)間20、30、40、50、60、90、120、150 min,pH2、3、4、5、6、7、8、9、10,溫度30、40、50、60、70 ℃。

1.2.5 指標(biāo)的測(cè)定

1.2.5.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線 配制濃度1.00、2.00、3.00、4.00、5.00、6.00 mg·L-1的結(jié)晶紫標(biāo)準(zhǔn)系列溶液,在波長(zhǎng)580 nm處測(cè)定其吸光度,所得回歸方程:A=0.1345C+0.0628,R2=1.000。配制濃度為1.00、2.00、3.00、4.00、5.00、6.00、8.00、10.00 mg·L-1的亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)系列溶液,在波長(zhǎng)664 nm處測(cè)定其吸光度,所得回歸方程:A=0.1529C+0.0564;R2=0.999。

1.2.5.2 吸附量和去除率的計(jì)算 吸附量及吸附量按如下公式計(jì)算:

吸附量計(jì)算公式:

式(1)

去除率計(jì)算公式:

式(2)

式中:q為吸附劑單位吸附量,mg·g-1;C0為染料初始質(zhì)量濃度,mg·L-1;C為經(jīng)冰糖橙皮渣吸附后染料的平衡濃度,mg·L-1;V為染料體積,L;M為加入冰糖橙皮渣質(zhì)量,g。

1.2.6 等溫吸附分析 按照文獻(xiàn)[15]的方法,取初始濃度為20、50、100、150、200、250、300、400 mg·L-1結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)系列,加入0.1 g改性吸附劑(或未改性吸附劑),溫度為30 ℃。以ce/qe為縱坐標(biāo),ce為橫坐標(biāo)擬合繪制Langmuir吸附等溫線,以lnqe為縱坐標(biāo),lnce為橫坐標(biāo)繪制Freundlish吸附等溫線。

Langmuir方程為:

式(3)

式中:Ce為平衡濃度(mg/L);qe為平衡時(shí)吸附量(mg/g);qm為吸附劑的最大吸附量(mg/g);KL為L(zhǎng)angmuir常數(shù),與吸附劑和吸附質(zhì)之間的親和度有關(guān)。

Freundlich方程為:

式(4)

1.2.7 吸附動(dòng)力學(xué)分析 按照文獻(xiàn)[16]的方法,取0.1 g改性吸附劑(或未改性吸附劑),在pH為7、溫度為30 ℃條件下分別加入濃度為100 mg·L-1結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)溶液50 mL,考查時(shí)間變化時(shí)的吸附動(dòng)力學(xué)特性,用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)以ln(qe-qt)為縱坐標(biāo),t為橫坐標(biāo),準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)以 t/qt為縱坐標(biāo),t為橫坐標(biāo)作圖分析。

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

式(5)

式(6)

式中:qe和qt分別為平衡吸附量和t時(shí)刻的吸附量,mg/g;k1為一級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù),min-1;k2為二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù),g/(mg·min)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 7.5軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)作圖,實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)為2～3次,以標(biāo)準(zhǔn)差表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散性。

2 結(jié)果與分析

2.1 掃描電鏡和紅外光譜表征結(jié)果

冰糖橙皮殘?jiān)男郧昂蟮碾婄R掃描結(jié)果如圖1,紅外光譜表征結(jié)果如圖2。由圖1可知,改性前后吸附劑形貌有較大的變化,未改性吸附劑表面光滑,且表面呈現(xiàn)多纖維覆蓋,而改性吸附劑表面則纖維結(jié)構(gòu)被破壞,變得疏松,孔隙數(shù)量得到一定增加,且出現(xiàn)更多褶皺,增加了比表面積,這也使得吸附時(shí)有更多活性吸附位點(diǎn),增強(qiáng)其吸附能力。

圖1 未改性(A)及改性(B)殘?jiān)鼟呙桦婄R圖(500×)Fig.1 SEM of unmodified(A)andmodified(B)residues(500×)

圖2 殘?jiān)男郧昂蟮募t外光譜圖Fig.2 IR of residues before and after modification

由圖2可知,波數(shù)為1059和1331 cm-1處的峰為纖維素特征峰,加磷酸改性后出現(xiàn)了新吸收峰,波數(shù)為2844 cm-1處的峰可能是P-OH中的O-H伸縮振動(dòng),在波數(shù)為1155 cm-1處的峰為P=O的特征峰,波數(shù)為1068 cm-1的峰為P-O-C伸縮振動(dòng)特征峰,說(shuō)明改性后冰糖橙皮渣中有磷酸的特性存在。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 吸附劑用量對(duì)染料去除率的影響 吸附劑用量對(duì)染料去除率的影響如圖3所示,改性和未改性吸附劑對(duì)兩種染料的去除率均隨吸附劑用量增加而增大,表明增加吸附劑用量,即增大了吸附表面積及官能團(tuán)數(shù)目所致。改性吸附劑對(duì)兩種染料的去除效果優(yōu)于未改性吸附劑。當(dāng)投入0.10 g吸附劑時(shí),改性吸附劑對(duì)結(jié)晶紫去除由改性前的62.44%提高到96.04%,對(duì)亞甲基藍(lán)由66.90%提高到94.45%,是因?yàn)槲⒉傲姿岣男院笤黾恿吮缺砻娣e、活性點(diǎn)位及引入了磷酸基團(tuán),使得其對(duì)兩種染料的去除率比未改性吸附劑均有大幅度提升。

圖3 吸附劑用量對(duì)結(jié)晶紫(A)與亞甲基藍(lán)(B)去除率的影響Fig.3 Effect of adsorbent dosage on removal rate ofcrystal violet(A)and methylene blue(B)

2.2.2 初始濃度對(duì)染料去除率的影響 染料初始濃度對(duì)染料去除率的影響關(guān)系如圖4所示,兩種染料的去除率均隨其初始濃度增大而降低。當(dāng)染料濃度為50 mg·L-1時(shí),兩種染料陽(yáng)離子更有機(jī)會(huì)與吸附劑表面吸附點(diǎn)位發(fā)生作用,表現(xiàn)出去除率較大,當(dāng)染料濃度繼續(xù)增加時(shí),雖然染料離子與吸附劑表面接觸增加,但傳質(zhì)阻力也增強(qiáng),吸附點(diǎn)位也逐漸趨于飽和,從而致使去除率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)[17]。

圖4 結(jié)晶紫(A)及亞甲基藍(lán)(B)初始濃度對(duì)去除率的影響Fig.4 Effect of initial concentration on removal rate ofcrystal violet(A)and methylene blue(B)

2.2.3 吸附時(shí)間對(duì)染料去除率的影響 吸附時(shí)間對(duì)染料去除率的影響關(guān)系如圖5所示,改性吸附劑和未改性吸附劑對(duì)兩種染料的去除率均是隨時(shí)間增長(zhǎng)而增加,然后趨于穩(wěn)定。可能是因?yàn)槲脚c解析存在競(jìng)爭(zhēng),在初始階段吸附起主導(dǎo)作用,而一定時(shí)間之后吸附與解析會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。改性吸附劑去除結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)達(dá)到平衡時(shí)間分別為10和50 min,未改性吸附劑對(duì)結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)的吸附平衡時(shí)間均為1.5 h左右。

圖5 吸附時(shí)間對(duì)結(jié)晶紫(A)與亞甲基藍(lán)(B)去除率的影響Fig.5 Effect of adsorption time on removal rate ofcrystal violet(A)and methylene blue(B)

2.2.4 溶液pH對(duì)去染料除率的影響 pH與對(duì)染料去除率的影響關(guān)系如圖6所示,隨著pH增大,兩種吸附劑去除結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)均呈現(xiàn)增漲先陡峭后平穩(wěn)趨勢(shì),在pH=7時(shí)對(duì)結(jié)晶紫去除率最大,pH=8時(shí)對(duì)亞甲基藍(lán)去除率最大。之所以在低pH下去除效果差,一是pH影響了吸附劑的化學(xué)性質(zhì)和吸附劑點(diǎn)位的狀態(tài)[18],二是低pH下H+濃度大,H+與染料離子形成競(jìng)爭(zhēng)吸附,而pH增加既降低了H+濃度,時(shí)也增加了吸附劑表面負(fù)電荷,利于吸附劑與染料之間的吸附。

圖6 pH對(duì)結(jié)晶紫(A)和亞甲基藍(lán)(B)去除率的影響Fig.6 Effect of pH on removal rate ofcrystal violet(A)and methylene blue(B)

2.2.5 溫度對(duì)染料去除率的影響 溫度對(duì)染料去除率的影響關(guān)系如圖7,亞甲基藍(lán)吸附劑在40 ℃時(shí)吸附效果最佳,結(jié)晶紫吸附劑則為30 ℃。原因可能是溫度變化會(huì)影響吸附劑的吸附熱動(dòng)力以及吸附熱容,致使吸附劑吸附能力發(fā)生變化[17]。而改性吸附劑可能是改變了材料原有結(jié)構(gòu),使得其吸附性能受溫度影響小,從而有好的溫度適應(yīng)性。在40 ℃時(shí)對(duì)結(jié)晶紫的去除率可由改性前的70.74%提高到99.42%,亞甲基藍(lán)則由57.17%提高到96.30%。

圖7 溫度對(duì)結(jié)晶紫(A)和亞甲基藍(lán)(B)去除率的影響Fig.7 Effect of temperature on removal rate ofcrystal violet(A)and methylene blue(B)

2.3 吸附劑改性前后對(duì)染料清除效果比較

吸附劑改性前后吸附效果如圖8所示,投入0.100 g吸附劑于 pH為7、濃度為50 mg·L-1的結(jié)晶紫溶液以及濃度為100 mg·L-1的亞甲基藍(lán)溶液中吸附1.5 h,在30 ℃時(shí)對(duì)結(jié)晶紫最大去除率由改性前的66.5%提升到99.4%,40 ℃時(shí)對(duì)亞甲基藍(lán)去除率由改性前的57.1%提升到96.3%,說(shuō)明吸附劑改性后吸附能力明顯提高。

圖8 材料改性前后對(duì)染料去除率的效果比較Fig.8 Comparison of removal rate ofmaterials before and after modification

2.4 吸附等溫線分析

Langmuir 吸附等溫方程和 Freundlich 吸附擬合結(jié)果如圖9～圖12和表1,Langmuir吸附等溫式中,亞甲基藍(lán)R2為0.9978,結(jié)晶紫R2為0.9732。Freundlish吸附等溫式中,亞甲基藍(lán)R2為0.9999,結(jié)晶紫R2為0.7126。說(shuō)明材料對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附屬于Langmuir和Freundlish型的復(fù)合吸附,即單層吸附和吸附劑表面非均質(zhì)吸附同時(shí)存在。材料對(duì)結(jié)晶紫Langmuir吸附等溫方程的R2更接近1,屬于單分子層吸附。

表1 結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)Langmuir吸附等溫式和Freundlish吸附等溫式相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of Langmuir and Freundlish isothermal adsorption about crystalline violet and methylene blue

圖9 亞甲基藍(lán)Langmuir吸附等溫線Fig.9 Langmuir adsorption isotherm of methylene blue

圖10 亞甲基藍(lán)Freundlish吸附等溫線Fig.10 Freundlich adsorption isotherm of methylene blue

圖11 結(jié)晶紫Langmuir吸附等溫線Fig.11 Langmuir adsorption isotherm of crystal violet

圖12 結(jié)晶紫Freundlish吸附等溫線Fig.12 Freundlich adsorption isotherm of crystal violet

2.5 吸附動(dòng)力學(xué)分析

吸附動(dòng)力學(xué)擬合圖形如圖13～圖16所示,動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)如表2所示,準(zhǔn)一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型中亞甲基藍(lán)R2為0.2267、結(jié)晶紫R2為0.9272;準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型中亞甲基藍(lán)R2為0.9998,結(jié)晶紫R2為0.9993。亞甲基藍(lán)和結(jié)晶紫準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)R2更接近1,說(shuō)明改性冰糖橙皮渣吸附亞甲基藍(lán)染料和結(jié)晶紫染料均更符合準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué),吸附速率被化學(xué)吸附所控制[19]。

表2 結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters of pseudo-first-order kinetics model and pseudo-second-order kinetics for crystal violet and methylene blue

圖13 亞甲基藍(lán)準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模擬圖Fig.13 Pseudo-first-order kineticssimulation of methylene blue

圖14 亞甲基藍(lán)準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模擬圖Fig.14 Second pseudo-second-orderkinetics simulation of methylene blue

圖15 結(jié)晶紫準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模擬圖Fig.15 Pseudo-first-order kineticssimulation of crystal violet

3 結(jié)論

冰糖橙皮殘?jiān)鼘?duì)染料結(jié)晶紫和亞甲基藍(lán)有較好的吸附性能,用微波和磷酸雙改性后能增加其活性著位點(diǎn)及有效吸附基團(tuán),大大提升其吸附能力。在改性吸附劑為0.10 g,結(jié)晶紫濃度為50 mg/L和亞甲基藍(lán)溶液濃度為100 mg·L-1的溶液中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)結(jié)晶紫的最大去除率達(dá)到99.4%,對(duì)亞甲基藍(lán)的最大去除率達(dá)到96.3%,處理后的溶液接近無(wú)色。改性吸附劑吸附結(jié)晶紫的規(guī)律符合Langmui等溫模型,吸附亞甲基藍(lán)的規(guī)律符合Langmuir等溫模型和Freundlish等溫模型。冰糖橙皮渣用于處理染料廢水,可以實(shí)現(xiàn)以廢治廢的目的,提高其產(chǎn)業(yè)鏈的綜合效益。