壳聚糖对酸性品红的吸附研究

胡巧开 邓真丽 陈丹

1 湖北师范学院城市与环境学院 （中国黄石 435002）

2 湖北师范学院化学化工学院 （中国黄石 435002）

环境保护

壳聚糖对酸性品红的吸附研究

胡巧开1邓真丽2陈丹1

1 湖北师范学院城市与环境学院 （中国黄石 435002）

2 湖北师范学院化学化工学院 （中国黄石 435002）

探讨了壳聚糖吸附酸性品红的影响因素。单因素试验优选了吸附时间、壳聚糖用量、pH值、酸性品红溶液初始浓度、温度及搅拌速率等。在此基础上进行了四因素三水平的正交试验，结果表明，壳聚糖吸附酸性品红的最佳工艺条件为：酸性品红溶液的初始质量浓度为30 mg/L、pH＝4，壳聚糖投加量为0.008 g/mL，吸附时间为80 min，此时壳聚糖对酸性品红溶液的吸附脱色率达到96.8%。

壳聚糖 吸附 酸性品红 脱色率

0 前言

印染行业是工业废水的主要排放行业，其废水具有有机污染物含量高、色度深、碱性大、水质变化大等特点，属于难处理的工业废水[1-2]。酸性品红是一种三苯甲烷染料，在医药、生化、石油等行业都有广泛的应用。酸性品红具有较强的染色能力和毒性，结构中含有对生物呈强抑制作用的苯环，并且为高共轭分子，降解存在一定难度[3]。因此，开发经济有效的印染废水处理技术成为当今环保行业关注的课题。

近年来，一些科研工作者对壳聚糖及其衍生物在印染废水中的应用作了一系列研究。Gandjidoust H等[4]的研究表明，用壳聚糖絮凝剂处理造纸工业废水，其对色度和总有机碳（TOC）的去除均优于其他合成絮凝剂，其中色度去除率大于90%，TOC去除率达到70%。王萍等以壳聚糖和丙烯酞胺为原料，得到了一类新型壳聚糖改性物絮凝剂，研究了壳聚糖-丙烯酞胺接枝共聚的反应规律，且对实际印染废水的化学需氧量（COD）去除率达到60%左右。

壳聚糖是一种天然高分子，广泛存在于虾蟹和昆虫的外壳以及藻类的细胞壁中，具有可生物降解性、低毒性。其分子中含有丰富的自由氨基和羟基，可与其他分子形成氢键，且性能稳定、吸附量大、易回收，可用作良好的高分子吸附剂，在印染废水的处理上具有一定的优越性[5]。本课题研究了壳聚糖对酸性品红模拟印染废水的吸附性能，以期为壳聚糖在印染废水处理中的应用提供理论依据。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

仪器：THZ-82数显水浴恒温振荡器，常州国华电器有限公司；BS224S赛多利斯电子分析天平、722N可见分光光度计，上海仪电科学仪器股份有限公司；JJ-4型六联电动搅拌器，江苏省金坛市中大仪器厂；SFG-01电热恒温鼓风干燥箱，黄石市恒丰医疗器械有限公司。

试剂：盐酸、酸性品红，分析纯，天津市东丽区泰兰德化学试剂厂。

1.2 实验分析方法

用可见分光光度计测定酸性品红溶液的吸光度，脱色率计算公式见式（1）。

式中：A1——处理前酸性品红溶液的吸光度；A2——处理后酸性品红溶液的吸光度。

用稀释倍数法测定吸附脱色后模拟废水的稀释倍数。

1.3 实验方法

（1）单因素试验法

对一定体积的酸性品红溶液,改变吸附脱色的条件，如酸性品红溶液的初始浓度、温度、pH值、壳聚糖的投加量、搅拌速率、吸附时间等。测定吸附前后的吸光度,计算脱色率。

（2）正交试验法

在单因素试验的基础上，选择吸附时间、pH值、壳聚糖用量、酸性品红溶液初始浓度的四因素三水平的正交试验，通过正交试验确定壳聚糖吸附酸性品红的主要影响因素和最佳吸附条件。

2 结果与讨论

2.1 壳聚糖的用量对脱色率的影响

取5份质量浓度为50 mg/L的酸性品红溶液各50 mL，分别加入不同量的壳聚糖。在室温、自然pH值（pH=6）条件下，以150 r/min的速率搅拌吸附30 min后抽滤，测定水样吸附前后的吸光度。见图1。

图1 壳聚糖用量对脱色率的影响

由图1可知，酸性品红溶液的脱色率随着壳聚糖投加量的增加而增大，但当投加量达到0.8 g后，壳聚糖投加量的增加对脱色率影响不大，这是因为吸附剂投加量增大到一定程度后，过量吸附剂不能被充分利用，产生空余吸附位[4]。

2.2 吸附时间对脱色率的影响

取5份质量浓度为50 mg/L的酸性品红溶液各50 mL，分别加入0.8 g壳聚糖，改变吸附脱色时间，其他条件同2.1，吸附处理后的结果见图2。

图2 吸附时间对脱色率的影响

图2表明，吸附时间对脱色率有一定的影响，吸附时间在20～80 min之间，酸性品红溶液的脱色率随着时间的延长而增大，其后延长吸附时间，对酸性品红溶液的脱色无显著变化，这是因为经过一段时间的反应后，每个壳聚糖分子都趋于饱和，能吸附的染料分子数量增加得很缓慢[6]，即吸附的最佳时间为80 min。

2.3 吸附温度对脱色率的影响

取5份质量浓度为50 mg/L的酸性品红溶液各50 mL，分别加入0.8 g壳聚糖，改变吸附温度，其他条件同2.2，吸附处理80 min，结果见图3。

图3 吸附温度对脱色率的影响

由图3可知，温度对酸性品红溶液的脱色率影响不显著，相对而言，温度在25℃时，脱色率较好。这是由于酸性品红溶液中的悬浮颗粒随着温度的升高而发生解离作用，电荷也随之增加，使得胶体与壳聚糖易发生吸附作用，从而使脱色率和吸附量升高；温度继续升高，酸性品红溶液中胶体变性，形成黏团，包裹颗粒，使壳聚糖不易与胶体和悬浮颗粒吸附沉降，导致脱色率下降[7]。后续试验仍在室温下进行。

2.4 酸性品红溶液初始质量浓度对脱色率的影响

改变酸性品红溶液的初始质量浓度，其他条件同2.3，吸附脱色处理后的结果见图4。

图4 酸性品红溶液初始质量浓度对脱色率的影响

由图4可知，酸性品红溶液初始质量浓度对脱色率有较大的影响，初始质量浓度为30 mg/L时，吸附性能较好，脱色率最大。初始质量浓度从10 mg/L变化到30 mg/L，脱色率随着浓度的增加而增加，原因是随着酸性品红溶液初始质量浓度的增加，壳聚糖与酸性品红的接触机会增加，更容易发生吸附。但是初始质量浓度进一步增加，脱色率略有下降，可能的原因是壳聚糖投加量偏少，对高浓度酸性品红的吸附不完全[8]。

2.5 pH值对脱色率的影响

取5份质量浓度为30 mg/L的酸性品红溶液各50 mL，改变模拟废水的pH值，其他试验条件与2.4相同，结果见图5。

图5 pH值对脱色率的影响

由图5可知，模拟废水的pH值对脱色率有一定的影响，在本实验条件下，pH＝4时，脱色率最大。这是因为在较低pH值下，壳聚糖分子链上产生一小部分质子化的氨基，从而提高了它的亲水性，增强了其氨基对有机物分子中水溶性离子产生吸附作用的能力。但当pH值小于4时，壳聚糖会出现部分溶解现象，影响后续处理过程，因此吸附的最佳pH值为4[9]。

2.6 搅拌速率对脱色率的影响

取5份质量浓度为30 mg/L的酸性品红溶液各50 mL，调节pH值为4，在不同搅拌速率下吸附80 min后，结果见图6。

图6 搅拌速率对脱色率的影响

由图6可知，当搅拌速率为100 r/min时，其脱色率最高。随着搅拌速率的增加，酸性品红溶液的脱色率总体呈下降趋势。这是因为如果搅拌速率过快，则会将能够沉降的颗粒变成不能沉降的颗粒，从而降低絮凝效果，如果搅拌速率过慢，则会使絮凝剂和固体颗粒不能充分接触，从而不利于絮凝剂吸附胶体颗粒，而且絮凝剂的浓度分布不均匀，不利于发挥絮凝作用[10]。

2.7 正交试验

综合考虑单因素试验结果，设计以吸附时间、溶液pH值、壳聚糖用量、酸性品红溶液初始质量浓度等四因素三水平的正交试验，正交试验因素水平如表1所示，试验结果如表2所示。

从表2中可以看出，四个因素对酸性品红溶液脱色率的影响顺序为pH值＞壳聚糖用量＞酸性品红溶液初始质量浓度＞吸附时间。壳聚糖吸附酸性品红的最佳工艺条件为A2B2C2D2，即壳聚糖0.4 g，溶液pH值为4，酸性品红溶液初始质量浓度为30mg/L,吸附时间为80 min。在最佳工艺条件下进行吸附脱色实验，其脱色率为96.8%。

表1 正交试验因素水平表

表2 正交试验结果

3 结论

单因素试验优选了吸附时间、壳聚糖用量、pH值、酸性品红溶液初始质量浓度、温度及搅拌速率等。在此基础上进行了四因素三水平的正交试验，试验结果表明，壳聚糖吸附酸性品红的主要影响因素是pH值和壳聚糖的用量；壳聚糖吸附酸性品红的最佳工艺条件为：酸性品红溶液的初始质量浓度为30 mg/L、pH值为4，壳聚糖投加量为0.008 g/mL（0.4 g/50 mL），吸附时间为80 min，此时壳聚糖对酸性品红溶液的吸附脱色率达到96.8%。

[1] 戴日成,张统,郭茜,等.印染废水水质特征及处理技术综述[J].工业给排水,2000,26(10):33-37.

[2] 范迪.印染废水处理机理与技术研究[D].青岛:中国海洋大学,2008:6-8.

[3] 朱虹,孙杰,李剑超.印染废水处理技术[M].北京:中国纺织出版社,2004:238-338.

[4] Gandjidoust H,Tatsumi K,Yamagishi T,et al.Effect ofsynthetic and natural coagulant on lignin removal from pulp and paper wastewater[J].Water Science and Technology,1997, 35(2-3):291-296.

[5] 陈湘.壳聚糖的改性及其在印染废水处理中的应用[D].苏州:苏州大学,2008:6-7.

[6] 张艳雅,马启敏.壳聚糖改性吸附剂的制备及其吸附性能研究[J].中国海洋大学学报,2006,10(5):153-156.

[7] 贾海红,韩宝平,马卫兴,等.壳聚糖对4种染料的吸附行为研究[J].淮海工学院学报：自然科学版,2008, 17(3):49-51.

[8] Walker G M,Weatherley L R.Adsorption of acid dyes onto granular activated carbon in fixed beds[J].Water Research, 1997,31(8):2093-2101.

[9] Smith B.Decolorizing dye wastewater using chitosan[J]. American DyestuffReporter,1993,82(10):18-36.

[10] 王明力.具有抗菌功能的壳聚糖复合膜研究及应用[D].贵阳:贵州大学,2008:1-2.

Study on Adsorption of Acid Fuchsin onto Chitosan

Hu Qiaokai Deng Zhenli Chen Dan

Discussed the factors that affect chitosan absorbing acid fuchsin,optimized the adsorption time,chitosan amount,pH value and initial mass concentration of acid fuchsin solution,adsorption temperature,stirring rate and so on by single factor tests.And then the orthogonal test of four-factor and three-level was done.The optimal adsorption conditions of acid fuchsin onto chitosan were listed as follows:the initial mass concentration of the acid fuchsine solution was 30 mg/L, the pH value of acid fuchsine solution was 4,the mass concentration of chitosan was 0.008 g/mL and the absorption time was 80 min.Under above conditions,the adsorption decolorization rate reached 96.8%.

Chitosan;Absorption;Acid fuchsin;Decolorization rate

X703

2014年8月

胡巧开女1965年生副教授主要从事环境工程的教学与研究工作