高錳酸鉀改性花生殼對含磷廢水的吸附研究

李 倩

(湖北第二師范學院 a.化學與生命科學學院；b.湖北省環境凈化材料工程技術研究中心，武漢 430205)

含磷廢水直接或間接地危害著人類的生存環境，是當今世界面臨的首要環境問題[1]。而農林廢棄物產量大，價格便宜，是重要的生物質資源[2]-[7]。我國每年產生大量的農林廢棄物，雖然用作飼料、肥料和制漿造紙工業原料，但其利用率不足總量的50%，仍有許多農林廢棄物被棄置于自然環境或露天焚燒，不僅造成了環境污染，還浪費了寶貴資源。花生殼中含有豐富的纖維素[8]-[12]、多酚類物質、礦物質和脂肪類等，使其具有較好的吸附性能。但研究表明直接用花生殼吸附，效果不佳，故本課題組曾研究用硝酸改性花生殼，結果表面改性后花生殼對磷的吸附率可達到84.1%[13]，雖然吸附率較改性前有大幅提升，但仍有改進空間。本論文擬探討用高錳酸鉀改性后的花生殼處理含磷廢水，進一步提升對磷的吸附效果。

1 材料與方法

1.1 實驗原料、藥品、儀器與設備

花生殼購于武漢東湖高新區某農村煮熟花生殼，含磷廢水為實驗室自制，實驗試劑和儀器如表1、表2所示。

表1 實驗藥品

1.2 實驗內容

1.2.1 花生殼的預處理

將花生殼用粉碎機粉碎后，過篩，用去離子水浸泡24h，去除懸浮物質，在80℃烘箱內烘干后放入干燥器中備用。

表2 實驗儀器與設備

1.2.2 單因素試驗

1.2.2.1 改性溫度對磷吸附率的影響

稱取一定量的花生殼加入0.12mmol/L的高錳酸鉀溶液中，控制超聲功率為70W，考察改性溫度分別為35℃、45℃、55℃、65℃、75℃時對花生殼吸附磷的影響。改性30min 后取出冷卻，抽濾，洗滌，烘干后加入2μg/mL的自制含磷廢水溶液中，控制超聲功率為100W，溫度50℃，30min后取出，冷卻至室溫，離心，取上清液，用鉬酸銨分光光度法測定濾液吸光度。

1.2.2.2 改性時間對磷吸附率的影響

考察改性時間分別為10min、30min、50min、70min、90min時對花生殼吸附磷的影響。其他操作同1.2.2.1。

1.2.2.3 超聲功率對磷吸附率的影響

考察超聲功率分別為40、50、60、70、80W時對花生殼吸附磷的影響。其他操作同1.2.2.1。

1.2.2.4 高錳酸鉀溶液濃度對磷吸附率的影響

考察高錳酸鉀濃度分別為0.03、0.06、0.12、0.24、0.48mmol/L時對花生殼吸附磷的影響。其他操作同1.2.2.1。

1.2.3 正交試驗

在單因素基礎上，進行四因素三水平的正交實驗。因素水平表見表3。

1.3 分析方法

1.3.1 試驗方法

鉬酸銨分光光度法[14]測定磷的含量

表3 正交試驗因素水平表

1.3.2 計算方法

用不同條件下改性后的花生殼吸附實驗室自制含磷廢水后，測定濾液吸光度，帶入磷標準曲線計算吸附后的廢水中殘余的磷濃度，按以下公式計算改性花生殼對磷的吸附率：

w=[(C0-Ce)/C0]×100%

其中，w是磷的吸附率(%)，C0，Ce分別為吸附前溶液中的磷的濃度和吸附后溶液中磷的濃度(μg/mL)。

2 結果與討論

2.1 磷標準曲線的繪制

在700n m的波長下，繪制磷質量濃度-吸光度標準曲線如圖1所示。

由圖1可知，擬合曲線的標準方程為y=0.42785x-0.00149，R2=0.99912，擬合較好，具有可靠性。

圖1 磷標準曲線

2.2 改性溫度對磷吸附率的影響

改性溫度對磷吸附率的影響結果如圖2所示。由圖可知，隨著改性時溫度的逐漸升高，磷的吸附率基本呈增大趨勢，即改性效果越來越好。這可能是因為隨著溫度的升高，用高錳酸鉀溶液改性的花生殼中的纖維素被打斷的越多，結晶度下降[15]，增加了很多空隙，因而比表面積增大，有效吸附位點增多，故而使改性后的磷吸附率越來越高。

圖2 溫度對磷吸附率的影響

2.3 改性時間對磷吸附率的影響

改性時間對磷吸附率的影響結果如圖3所示。由圖可知，改性花生殼的磷吸附率隨著改性時間的增加呈現先增大后減小的趨勢，當改性時間為50min時，磷的吸附率可高達95.57%，在一定時間范圍內，改性作用逐漸增強，主要是因為隨著時間的增加，纖維素的結晶度下降，花生殼比表面積增加。而超過這個時間范圍時，花生殼最終的結晶度增加，比表面積減小，改性后的花生殼對磷的吸附率下降。可知，改性的時間不是越長越好，最佳改性時間為50min。

圖3 時間對磷吸附率的影響

2.4 超聲功率對磷吸附率的影響

超聲功率對磷吸附率的影響結果如圖4所示。由圖4可知，改性花生殼的磷吸附率隨著超聲功率的增大亦呈現先增大后減小的作用。當改性時的超聲功率為60W時，磷的吸附率可高達95.27%。這可能是因為在一定范圍內，超聲功率的增加，使溶液中分子或離子傳質作用增強，使花生殼與高錳酸鉀分子接觸得更充分，纖維素被打斷的越多，細纖維化程度增加，孔隙越多，比表面積更大，吸附位點更多，故而改性作用更好，而超過這個范圍， 使分子熱運動過于劇烈，使溶劑與花生殼接觸時間較短，使改性作用減弱，故而對磷的吸附率下降。由此可知，最佳超聲功率為60W。

圖4 超聲功率對磷吸附率的影響

2.5 高錳酸鉀溶液濃度對磷吸附率的影響

圖5 高錳酸鉀溶液濃度對磷吸附率的影響

高錳酸鉀溶液濃度對磷吸附率的影響結果如圖5所示。由圖5可知，隨著高錳酸鉀溶液濃度增加，磷的吸附率先增大后略有減小。當高錳酸鉀溶液濃度為0.12mmol/L時，磷的吸附率可達93.87%。這主要是因為高錳酸鉀溶液濃度越大，改性后的花生殼的細纖維化程度越好[16]，結晶度降低，比表面積增加，改性效果越好。而當濃度過高時，溶劑濃度增大，導致超聲波的空化效應不易發生，故而使改性作用稍有減弱，磷的吸附率略有降低。故而，從經濟效益和改性效果上考慮，改性所用的高錳酸鉀溶液的最佳濃度應為0.12mmol/L。

2.6 正交試驗結果

正交試驗結果如圖6所示。由圖6可知，四個因素影響的主次關系如下：高錳酸鉀溶液濃度>超聲功率>時間>溫度。理論上的最優因素水平組合為A2B1C1D1，即溫度為65℃、超聲功率為50W、時間為30min、高錳酸鉀溶液濃度為0.06mmol/L。在此條件下改性后的花生殼對磷的吸附率高達95.87%。

圖6 正交試驗極差分析圖

3 結論

高錳酸鉀改性花生殼的最佳條件為溫度65℃、超聲功率50W、時間30min、高錳酸鉀溶液濃度0.06mmol/L，在該條件下花生殼對磷的吸附率可達95.87%。根據以往研究成果[13]，用硝酸改性的花生殼吸附磷，吸附率最高僅達84.1%，較未改性花生殼，磷的吸附率有所提高，但不是最理想的途徑。本實驗中，高錳酸鉀改性的花生殼對磷的吸附率大大提高，利用該法處理含磷廢水具有一定的應用價值。