花生殼染料吸附劑的制備

陳洪敏，李希希，車自力

（1.重慶化工職業學院，重慶 401228；2.重慶市酉陽土家族苗族自治縣生態環境局，重慶 409800）

花生是我國廣泛種植的一種農作物，自古以來就有“長生果”的美譽，具有營養豐富，經濟價值高的特點［1］。花生可以直接食用，也可以用于生產各種食品及花生食用油［2］。在加工利用花生的過程中會產生大量副產物，即花生殼以及花生渣［3］。在農村地區，大多數農民都會把花生殼當作垃圾處理，沒能好好加以利用，浪費資源。花生殼中含有某些功能性成分（如木犀草素［4-5］、白藜蘆醇［6］、黃酮類化合物［7-8］等），可用來制備保健品、藥品等，已有研究者對其進行提取和性質研究。由于花生殼的主要成分為粗纖維，可以對其進行改性或者炭化處理以制備各種吸附劑。劉立華等［9］研究了花生殼對銅離子的吸附特性；賈啟華等［10］通過硼酸-微波改性花生殼制備了鎘離子吸附劑；滕福康［11］通過炭化花生殼制備了鉛離子吸附劑；湯琪等［12］通過檸檬酸改性花生殼制備了鉻離子吸附劑；曾婧等［13］通過改性花生殼制備了含磷廢水處理劑等。染料是印染工業廢水排放中常見的污染物，會對水體造成嚴重的污染，破壞水體生態平衡、危害人體健康［14］。吸附是處理含染料廢水的經濟而有效的方法，尋找高效的吸附劑是關鍵［15-17］。

本文利用高錳酸鉀（KMnO4）溶液對花生殼進行預處理以及炭化處理，制備染料吸附劑，運用單因素實驗以及正交實驗對制備工藝進行優化，制得優良的含染料廢水處理劑（染料吸附劑），以期為花生殼的綜合利用，特別是利用花生殼制備水處理劑提供一定的參考。

1 實驗

1.1 材料

花生（市售，產自重慶武隆），去離子水，高錳酸鉀（KMnO4）、丙酮（C3H6O）、陽離子染料孔雀石綠（均為分析純）。

1.2 儀器

CP2202S 電子分析天平（北京賽多利斯儀器公司），FW200 高速萬能粉碎機（北京成萌偉業科技有限公司），TGL-10C 高速臺式離心機（上海安亭科學儀器廠），UHP-Ⅳ-20T 超純水機（成都超純水科技有限公司），KQ-400 KDB 高功率數控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），752 型紫外-可見分光光度計（上海精密科學儀器有限公司），SA-1-12 箱式電阻爐［常奧儀器設備（南通）有限公司］。

1.3 實驗方法

1.3.1 原料預處理

花生取殼、洗凈、60 ℃烘干至恒重，粉碎機粉碎、過篩，取粒徑0.30～0.45 mm 的粉末作為原料，用塑料袋密封后置于干燥器中備用。

1.3.2 吸附劑的制備

稱取2 g 花生殼原料，按照不同液料比加入一定體積和濃度的KMnO4溶液中，置于超聲清洗器中處理約10 min 使之充分浸潤，轉移至反應釜，密封升溫至一定溫度，恒溫保持一定時間，冷卻至室溫；用C3H6O 和去離子水交替洗滌5 次，離心，固體部分80 ℃烘干24 h得吸附劑樣品。

1.3.3 染料的吸附及吸附率測試

取150 mL 50 mg/L 孔雀石綠溶液于錐形瓶中，準確加入0.05 g吸附劑樣品，室溫下攪拌120 min，離心，測定上層清液染料的質量濃度，按下式計算吸附率：

式中：ρ0與ρ1分別為溶液中初始和吸附后染料的質量濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 液料比

用KMnO4溶液處理的目的是使吸附劑表面產生大量的含氧官能團，同時生成MnO2附著于表面，進一步提升其理化性能。由圖1 可以看出，開始時吸附率隨著液料比的升高而增大，當達到10∶1 時，吸附率達到最大值，此后吸附率隨著液料比的升高略有減小。與文獻［18］相似，開始時花生殼被KMnO4溶液浸潤越充分，反應就越充分，產生的含氧官能團越多，吸附能力越強；當液料比高于10∶1 后，花生殼被過度炭化，孔結構減少，比表面積減小，吸附率略有下降，因而液料比選擇10∶1。

2.1.2 KMnO4溶液濃度

由圖2 可以看出，開始時吸附率隨著KMnO4溶液濃度的增大而升高，0.5 mol/L 時吸附率達到最大值，此后吸附率隨著KMnO4溶液濃度的增大略有下降。開始時花生殼中產生的含氧官能團增多，吸附能力不斷增強；當KMnO4溶液濃度高于0.5 mol/L 后，花生殼被過度炭化，破壞了纖維素的網絡結構，比表面積有所減小，吸附率略有下降，因而KMnO4溶液濃度選擇0.5 mol/L。

2.1.3 溫度

由圖3 可以看出，開始時吸附率隨著溫度的升高而不斷增大，180 ℃時吸附率達到最大值，此后吸附率隨著溫度的升高略有減小。

開始時花生殼炭化越充分，形成的孔結構越多，比表面積越大，吸附能力越強；高于180 ℃后，少量的孔結構被破壞，比表面積有所減小，吸附率略有下降，因而溫度選擇180 ℃。

2.1.4 時間

由圖4 可以看出，開始時吸附率隨著時間的延長而迅速增大，4 h時吸附率達到最大值，此后吸附率隨著炭化時間的延長而略有下降。起初花生殼炭化越充分，形成的孔結構越豐富，比表面積也就越大，吸附能力越強，吸附率不斷增大；4 h 時，比表面積達到最大值，吸附率達到最大值；此后隨著炭化時間的延長，花生殼被過度炭化，一些孔結構被破壞，比表面積減小，吸附率降低，因而時間選擇4 h。

2.2 正交實驗

由表1 可以看出，B極差最大，說明KMnO4溶液在對花生殼進行處理時作用較大，直接關系到吸附劑樣品表面活性基團的數量及理化性質，因而在實驗過程中要嚴格、準確地控制KMnO4溶液濃度。D極差排第二，說明時間對吸附劑樣品的吸附率也有較大影響；在一定溫度下，時間決定炭化是否充分和過度炭化孔結構被破壞的程度，因而在實驗過程中也應該加以嚴格控制。C極差排第三，溫度決定是否能產生炭化和炭化的程度；在一定溫度范圍內，花生殼都能被炭化，因而對吸附劑樣品的影響不是很大。A極差最小，說明液料比對吸附劑樣品吸附率的影響最小，在一定的液料比范圍內，花生殼都能被浸透，KMnO4溶液能夠與之發生反應。

表1 花生殼吸附劑吸附孔雀石綠的正交實驗表

續表1

2.3 優化工藝條件驗證

由表1 可以看出，由花生殼制備染料吸附劑的工藝優化組合為A2B3C2D3，即液料比10∶1、KMnO4溶液濃度0.5 mol/L、溫度180 ℃、時間4 h。為驗證優化工藝條件是否正確，在該制備條件下分別進行4 次平行實驗，得到的吸附劑樣品對孔雀石綠的吸附率分別為96.7%、97.7%、96.5%、96.2%，平均值為96.8%，吸附效果好，實驗重現性好，說明用花生殼制備染料吸附劑的優化工藝合適。

3 結論

用花生殼制備染料吸附劑的優化工藝條件：液料比10∶1、KMnO4溶液濃度0.5 mol/L、溫度180 ℃、時間4 h。制得的吸附劑樣品對陽離子染料孔雀石綠顯示出良好的吸附性能：0.05 g 吸附劑樣品對150 mL 50 mg/L 孔雀石綠在室溫下靜態吸附120 min，吸附率可以達到96.8%。