香蕉皮制活性炭对含Cr(Ⅵ)废水的吸附性能

王 丽，杨 威,，张雷坤，车春波，左金龙，李俊生，吴 春

(1 哈尔滨商业大学 生命科学与环境科学研究中心，哈尔滨 150076；2 哈尔滨商业大学 环境工程系，哈尔滨150076；3.哈尔滨商业大学 食品工程学院，哈尔滨 150076)

含重金属的废水是污染性很强的一类废水，即使它的质量浓度很小，也能产生很大的危害，而且它的毒性具有长期持续性，即通过饮水和食物链的生物浓缩、生物积累、生物放大等作用，对人类健康的影响和生态环境日益严重[1]，成为环境治理中越来越突出的问题[2].

香蕉系芭蕉科芭蕉属多年生草本作物，香蕉皮中营养成分非常丰富[3～5]，用途很广，例如用香蕉皮产沼气[6].在避免环境污染的同时，还能将香蕉皮变废为宝，提高香蕉了加工企业的经济效益[7].而且，果皮中的纤维类物质含有大量的羟基，这些羟基通过化学改性之后，可以引入金属离子吸附能力很强的活性基团.所以，可以通过一定的改性方法来将某些水果皮渣废弃物制备成可用的活性炭[8]，并将其应用于重金属废水的处理中[9].

1 实验部分

1.1 实验仪器与材料

721E型可见分光光度计(上海光谱仪器有限公司)、TDL80-2B台式离心机(上海安亭科学仪器厂制造)、pHS-25数显pH计(上海精密科学仪器有限公司)以及傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR spectrometer，天津港东科技发展股份有限公司).

香蕉(市售)、蒸馏水、重铬酸钾、浓H2SO4、浓H3PO4、丙酮、二苯碳酰二肼，氢氧化钠、甲醛(37%)、盐酸、氢氧化钾(以上药品均为分析纯).

1.2 实验方法

1.2.1 活性炭制备

采用Wennerberg方法，称取适量NaOH改性后的香蕉皮粉末，分别置于马弗炉中，以5 ℃/min的速度升至450 ℃，预焙烧1.5 h，然后，冷却后取出产物，用蒸馏水洗涤过滤后，在110 ℃下烘干备用.

1.2.2 测定方法

1.2.3 吸附原理

香蕉皮中有丰富的纤维素、多酚类物质和脂肪类等物质.纤维素由上千个单糖连接形成的高聚体，在酸性条件下水解成单糖.在纤维素的结构单元中的每个单糖具有3个醇羟基，因为醇羟基上的氢原子有活性，所以具有去除重金属离子的功能.而且某些纤维素还具有螯合金属离子的功能.在多酚类物质中含有酚羟基，其中的氢原子可以与重金属离子进行交换.以上各物质，很容易与重金属离子发生置换反应，最终将重金属离子转化为沉淀物质.

2 结果与讨论

2.1 Cr(Ⅵ)标准曲线的确定

由图1可以看出随着Cr(Ⅵ)质量浓度的升高吸光度逐渐增大，即Cr(Ⅵ)质量浓度与吸光度是成线性关系的.可以用于以后的实验中，以计算比较准确的去除率.

图1 六价铬标准曲线图

2.2 香蕉皮制得的活性炭吸附Cr(Ⅵ)的最佳条件的确定

2.2.1 改性香蕉皮制得的活性炭用量对Cr(Ⅵ)吸附性能的影响

结果如图2所示，随着改性香蕉皮制得的活性炭的用量的增加，Cr(Ⅵ)的去除率逐渐增加.当活性炭的用量大于0.5 g的时候，Cr(Ⅵ)的去除率趋于稳定.

图2 改性香蕉皮制的活性炭用量对去除率的影响

2.2.2 Cr(Ⅵ)溶液初始质量浓度对吸附效果的影响

结果如图3所示，随着Cr(Ⅵ)初始质量浓度的增加，Cr(Ⅵ)的去除率呈减小的趋势，但吸附量是增大的.即当铬的初始质量浓度为5 mg/L的时候，改性香蕉皮制得的活性炭对Cr(Ⅵ)的去除率最高.这主要是因为在低质量浓度时，Cr(Ⅵ)能够充分占据活性炭表面的活性位置，随着质量浓度的增大，活性炭不足以容纳更多的Cr(Ⅵ).同时Cr(Ⅵ)在活性炭上的扩散速度有所增大，活性炭单位表面积上吸附的Cr(Ⅵ)也随之增大，所以当活性炭的用量一定时，吸附容量会趋于平衡.

图3 六价铬的初始质量浓度对去除率的影响

2.2.3 pH值的大小对吸附效果的影响

众人兴奋起来。矿区秧歌会，从解放初到现在，一直很有名气。可他们肇下那么大事端，惹出那么大祸，还有心庆贺。何良诸觉得不可思议。

结果如图4所示，随着pH值的增大，改性香蕉皮制得的活性炭对Cr(Ⅵ)的去除率随之增加，当pH值达到5的时候，改性香蕉皮制得的活性炭对Cr(Ⅵ)的去除率达到95.2 %，随着pH值的继续增大，改性香蕉皮制得的活性炭对Cr(Ⅵ)的去除率随之降低.在吸附过程中，溶液中的pH值影响活性炭表面金属的吸附点位及金属离子的化学状态.

随着溶液pH值的升高，活性炭表面的官能团被质子化，表面电势密度也会降低，金属离子与活性炭表面的静电斥力有所减小，由于活性炭表面的官能团是显弱酸性的，在溶液pH值较高时，活性炭上的负电势点会增多，所以利于金属离子的接近并吸附在活性炭的表面上.然而，过高的pH值也不益于金属离子的吸附，因为溶液中的OH-与金属离子间的化学作用力有所增大，以致于去除率的相对下降.综上所述，将溶液pH值控制在5.0比较好.

图4 pH值对六价铬去除率的影响

2.2.4 吸附震荡温度对Cr(Ⅵ)吸附性能的影响

结果如图5所示，随着温度的逐渐升高，改性香蕉皮制得的活性炭对Cr(Ⅵ)的去除率增大，当温度达到35 ℃的时候，去除率达到最高，随着温度的继续升高，去除率趋于稳定.所以，将温度控制在35 ℃条件下是比较好的.

图5 温度对六价铬去除率的影响

2.2.5 吸附时间对吸附效果的影响

结果如图6所示，随着吸附时间的延长，改性香蕉皮制得的活性炭对Cr(Ⅵ)的去除率逐渐增加，当吸附时间达到120 min的时候，对Cr(Ⅵ)的去除率达到最大，随着吸附时间的继续延长，对Cr(Ⅵ)的去除率有所下降.开始时吸附速率比较平稳，当时间达到120 min时，吸附量达到最大，随着时间的继续延长，吸附不再进行，说明活性炭吸附已达饱和.所以，将吸附时间控制在120 min是最佳的.

图6 吸附时间对六价铬去除率的影响

综合以上条件，改性香蕉皮制得的活性炭吸附Cr(Ⅵ)废水的最佳条件确定为振荡吸附时间为120 min，pH值为5，振荡温度为35 ℃，Cr(Ⅵ)质量浓度控制在5 mg/L， 改性香蕉皮制得的活性炭的投加量控制在0.5 g.

2.3 红外光谱分析PAC表面官能团

红外光谱是对化学基团进行定性和半定量分析的有效方法.实际活性炭上的官能团的质量浓度不是很高，所以不可能都在红外光谱中表现出来.以下分别对未改性的香蕉皮及NaOH 改性的香蕉皮制得的活性炭进行红外光谱分析.分别见图7、8.

图7 未改性香蕉皮的IR光谱图

由图7看出，在3 434 cm-1的波长附近出现一个吸收峰，这是由于(-OH)的伸缩振动，羟基的出现可能与水分的存在有一定的关系，也可能是活性炭表面含有羟基所致.在2 919 cm-1的波长处有一个不太明显的吸收峰，这可能是由于-CH2或-CH3键的伸缩振动所致.在1 600 cm-1的波长附近出现一个吸收峰，这可能是由于芳烃中CC的伸缩振动或是酰胺中N—H变形振动所致.在1 042 cm-1的波长附近出现一个吸收峰，这可能是由于醇R—OH或酸酐中C—O的伸缩振动或是醚中C—O—C伸缩振动或是胺中C—N伸缩振动所致.

由图8可以看出，在3 434、2 930、2 600、1 640、1 400、1 010 cm-1等波长附近出现了吸收峰.改性之后，吸收峰变动较大.通过分析可知，NaOH 改性的香蕉皮制得的活性炭中可能含有主要有以下几种官能团：芳香骨架、羧基、烯烃、羟基、醚基等.这些基团的存在，使活性炭不但具有吸附能力，而且具有催化作用，同时说明这些官能团可能是Cr6+的吸附中心.

图8 NaOH改性香蕉皮的IR光谱图

2.4 改性活性炭和未改性的活性炭对Cr(Ⅵ)去除效果比较

在温度为35 ℃时，取50 mL质量浓度为5 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液，控制溶液的pH值为5.0，吸附时间为120 min，分别加入0.5 g改性香蕉皮制得的活性炭和未改性的香蕉皮制得的活性炭，比较两者对Cr(Ⅵ)的去除率.结果显示，改性香蕉皮制得的活性炭对Cr(Ⅵ)的去除率为95.2%，未改性的香蕉皮制得的活性炭对Cr(Ⅵ)的去除率为87.5%，说明改性处理可提高香蕉皮制得的活性炭对Cr(Ⅵ)的吸附率.

3 结 论

1)改性香蕉皮制得的活性炭对Cr(Ⅵ)有很强的吸附性，其对Cr(Ⅵ)的吸附去除率与溶液的pH值、Cr(Ⅵ)的初始质量浓度、吸附时间、改性香蕉皮制得的活性炭的用量及温度等因素有关.

2)溶液的pH值对Cr(Ⅵ)的去除率有很大影响，随着溶液PH值的升高，改性香蕉皮制得的活性炭对Cr(Ⅵ)的去除率不断升高，当pH值达到5后，去除率有所下降，这与改性香蕉皮制得的活性炭表面功能基团带电状态、Cr(Ⅵ)在水溶液中的形态分布及pH值的变化有关.对香蕉皮进行改性处理可提高其制得的活性炭对Cr(Ⅵ)的吸附去除率.

3)在温度为35 ℃时，用0.5 g改性香蕉皮制得的活性炭处理50 mL质量浓度为5 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液，控制溶液pH值为5，振荡吸附120 min，在此条件下，Cr(Ⅵ)的去除率达到了95.2 %，残余Cr(Ⅵ)的质量浓度﹤0.5 mg/L，达到了Cr(Ⅵ)的排放标准.

4)改性香蕉皮制得的活性炭吸附Cr(Ⅵ)废水的最佳条件确定为振荡吸附时间为120 min，pH值为5，振荡温度为35 ℃，Cr(Ⅵ)质量浓度控制在5 mg/L， 改性香蕉皮制得的活性炭的投加量控制在0.5 g.由于香蕉皮原料丰富，容易获取，将其用来处理重金属废水，既可治理环境污染，又可以提高其综合经济效益，有很好的应用前景.

参考文献：

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[9] 车春波，杨宁逸，于 望，等.以石油渣油制备活性炭的研究[J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2013，29(3)：301-302，313.