改性香蕉皮对酸性品红的吸附研究

胡巧开　余中山　陈 芳

1湖北师范学院城市与环境学院 （湖北黄石　435002）2污染物分析与资源化技术湖北省重点实验室 （湖北黄石　435002）3湖北师范学院化学化工学院 （湖北黄石　435002）

科研开发

改性香蕉皮对酸性品红的吸附研究

胡巧开1,2余中山1，2陈 芳3

1湖北师范学院城市与环境学院 （湖北黄石435002）2污染物分析与资源化技术湖北省重点实验室 （湖北黄石435002）3湖北师范学院化学化工学院 （湖北黄石435002）

摘要以改性香蕉皮为吸附剂，对酸性品红模拟印染废水进行吸附脱色处理。实验结果表明：香蕉皮的最佳改性剂为硫酸，最佳改性条件为2 mol/L硫酸、硫酸与香蕉皮液固比3∶1、改性30 min；改性香蕉皮吸附酸性品红的实验中，搅拌速度和吸附时间是影响脱色率的两个重要因素，最佳吸附条件为：100 mL初始质量浓度为30 mg/L的酸性品红溶液，吸附剂用量为0.5 g、搅拌速度100 r/min、吸附2 h，此时酸性品红废水的脱色率为77.12%，脱色后模拟废水的稀释倍数为40倍，低于《纺织染整工业水污染物排放标准》（GB 4287—2012）中的排放限值；等温吸附实验说明，改性香蕉皮对酸性品红的吸附用弗罗因德利希吸附等温方程拟合更好。

关键词香蕉皮改性酸性品红吸附脱色率

0　前言

印染废水污染物含量高、治理难度高，是水处理研究的重点对象。目前处理方法主要有化学法、物理法和生化法。物理处理法中应用最多的是吸附法[1]，而吸附法则是预处理的主要方法之一。诸多成功的处理工艺表明，强化预处理对印染废水的处理具有重要意义[2]，活性炭应用于吸附法较早，对去除水中溶解性有机物非常有效，但活性炭再生比较困难，导致处理成本较高，因此应用面较窄，一般用于浓度较低的染料废水的处理或深度处理[3]。农林废弃物资源丰富、价格低廉，且含有大量木质素和纤维素，可作为吸附剂使用，在水处理领域应用前景广阔。韩香云等[4]在利用香蕉皮作为吸附剂吸附废水中铜、锌的研究中，将作为废弃物的香蕉皮进行处理后，其对Cu2+、Zn2+的吸附率可达95%以上。酸性品红是一种三苯甲烷染料，主要用作生物染色剂、结缔组织染色剂或用于鉴定氯离子，在医药、生化、石油化工等行业都有广泛的应用。本课题以香蕉皮为原料，利用改性方法制备生物吸附剂，并探讨其对酸性品红的吸附性能，以期为香蕉皮在印染废水处理方面的实际应用提供科学依据。

1　实验部分

1.1实验材料、仪器与化学试剂

香蕉皮，黄石某农贸市场；酸性品红模拟废水，自配。AB204-N电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；THZ-82微电脑恒温振荡器，常州国华电器有限公司；SFG-01电热恒温鼓风干燥箱、SHZ-D循环水式真空泵，黄石市恒丰医疗器械有限公司；722N可见分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司；98%浓硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾等，分析纯，天津市东丽区泰兰德化学试剂厂。

1.2改性方法

将香蕉皮洗净、剪碎并用去离子水清洗3次后置于100℃干燥箱中保温至恒重，用研钵研细后放置于密封袋中备用；向高锰酸钾、硫酸、氢氧化钠和乙醇-乙酸混合液等4种改性剂中分别加入适量香蕉皮粉末，搅拌一段时间后抽滤、洗净、干燥后即得改性香蕉皮吸附剂。

1.3吸附脱色实验方法

室温下，在100 mL一定物质的量浓度、pH值的模拟印染废水中，投加一定量吸附剂——改性香蕉皮，以一定的速度搅拌、吸附一段时间后抽滤，测定水样吸附前后的吸光度，计算脱色率，并测定吸附后模拟废水的稀释倍数。

1.4分析方法

用分光光度法测定酸性品红模拟废水吸附前后的吸光度，根据公式（1）计算脱色率；用稀释倍数法测定吸附后模拟废水的稀释倍数。

脱色率＝(A1-A2)/A1×100%（1）

其中，A1——吸附前酸性品红模拟废水的吸光度；

A2——吸附后酸性品红模拟废水的吸光度。

2　结果讨论

2.1改性条件优选

2.1.1改性剂优选

取100 mL、初始质量浓度为20 mg/L的酸性品红模拟废水5份，分别投加未改性和4种改性的香蕉皮粉末各 0.5 g，在水样自然pH（pH=6，下同）和室温下，以150 r/min的搅拌速度吸附60 min，测定废水吸附前后的吸光度及脱色率，计算结果见表1。

表1　改性剂种类对脱色率的影响（吸附前吸光度：0.134）

由表1可知，未改性的香蕉皮对酸性品红的吸附效果没有改性香蕉皮的吸附效果好。其中用硫酸改性的香蕉皮对酸性品红的脱色率最高，达到72.39%，吸附后的稀释倍数为60倍。因此选用硫酸对香蕉皮进行改性处理。

2.1.2改性剂浓度优选

分别在50 mL不同物质的量浓度的硫酸溶液中加入2 g香蕉皮粉末，改性30 min后抽滤、洗净、干燥。在初始质量浓度均为20 mg/L的5份酸性品红模拟废水中，分别加入上述改性后的香蕉皮粉末各0.5g，在水样自然pH、室温下搅拌、吸附60 min，结果见图1。

由图1可知，当硫酸物质的量浓度为2 mol/L时改性香蕉皮的效果相对最好，吸附后废水的脱色率达到72.90%，稀释倍数为60倍。硫酸物质的量浓度大于2 mol/L时，脱色率逐渐下降，可能是因为硫酸物质的量浓度过大，破坏了香蕉皮粉末表面的微孔结构[3]。因此改性剂硫酸的物质的量浓度取2 mol/L。

2.1.3改性时间优选

在50 mL物质的量浓度为2 mol/L的硫酸中加入2 g香蕉皮，分别改性不同的时间后抽滤、洗净、干燥。在初始质量浓度为20 mg/L的酸性品红模拟废水中，分别加入0.5 g上述改性后的香蕉皮粉末，在水样自然pH值、室温下搅拌、吸附60 min。结果见图2。

图1　改性剂浓度优选

图2　改性时间对脱色率的影响

由图2可知，当改性时间为30 min时，改性后的香蕉皮对模拟废水的吸附脱色效果最好，废水的脱色率为73.57%，稀释倍数为60。后续实验中改性时间均采用30 min。

2.1.4改性剂与吸附剂液固比的优选

分别以硫酸（以98%浓硫酸计）与香蕉皮液固比为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1时对香蕉皮粉末进行改性，改性后抽滤、洗净、干燥。在初始质量浓度为 20 mg/L的酸性品红模拟废水中，分别加入0.5 g按照不同液固比改性后的香蕉皮粉末，在水样自然pH、室温下以150 r/min的速度搅拌、吸附60 min，结果见图3。液固比为3∶1时，改性后的香蕉皮对酸性品红模拟废水的脱色效果最好,废水脱色率达到73.23%，稀释倍数为60倍。因此硫酸与香蕉皮的液固比选用3∶1。

图3　硫酸与香蕉皮比例对脱色率的影响

2.2改性香蕉皮对酸性品红的吸附研究

2.2.1吸附剂粒径对脱色率的影响

在5份初始质量浓度为20 mg/L的100 mL酸性品红模拟废水中，分别加入0.5 g经孔径分别为1.00，0.71，0.50，0.25，0.18 mm的不锈钢筛筛选后的改性香蕉皮粉末，在水样自然pH值、室温、搅拌速度为150 r/min的条件下吸附60 min，所得结果如表2所示。

表2　吸附剂粒径对脱色率的影响（吸附前吸光度：0.134）

表2表明，香蕉皮粉末的粒径越小，其吸附、脱色效果越好。这是因为在相同的投加量下，吸附剂粒径越小，其比表面积越大，与水样的接触面积也就越大，越有利于吸附的进行[5]。本实验条件下，最大粒径为0.18 mm的改性香蕉皮粉末的吸附效果最佳，废水脱色率达到74.63%，稀释倍数为50倍。因此后续实验吸附剂粒径选择最大粒径为0.18 mm的改性香蕉皮粉末。

2.2.2吸附剂投加量对脱色率的影响

取5份质量浓度为20 mg/L的模拟废水各100 mL，分别加入最大粒径为0.18 mm、不同质量的改性香蕉皮粉末，在水样自然pH值、室温、搅拌速度150 r/min的条件下进行吸附脱色处理，结果见图4。

图4可知，改性香蕉皮的投加量越大，酸性品红模拟废水的脱色率越大，当每100 mL模拟废水中的投加量为1.1 g时，废水的脱色率达到82.34%，稀释倍数为20倍。实际应用时，应在能保证废水处理效果的同时降低处理成本。当投加量为0.5 g时，废水的脱色率为75.54%，稀释倍数为50倍，低于GB 4287—2012中的排放限值。因此，针对质量浓度20 mg/L的酸性品红废水，投加量确定为0.005 g/mL。

2.2.3水样初始质量浓度对脱色率的影响

于5份100 mL不同质量浓度的模拟废水中，分别加入最大粒径为0.18 mm的改性香蕉皮0.5 g，水样自然pH值、室温、搅拌速度150 r/min的条件进行吸附处理，结果见图5。

图4　吸附剂投加量对脱色率的影响

图5　水样初始质量浓度对脱色率的影响

由图5可知，水样初始质量浓度小于20 mg/L时，随着模拟废水初始质量浓度的增大，改性香蕉皮对酸性品红模拟印染废水的脱色率上升。模拟废水的初始质量浓度继续增加，其脱色率逐渐下降，这是由吸附达到饱和所致[7]。初始质量浓度为20 mg/L的废水的脱色率为72.26%，稀释倍数为60倍。选取初始质量浓度为20 mg/L的酸性品红模拟废水进行后续实验。

2.2.4吸附时间对脱色率的影响

以初始质量浓度为20 mg/L的酸性品红模拟废水为研究对象，改变吸附时间，在前述优选条件下进行吸附脱色处理，结果见图6。

图6表明，随着吸附时间的增加，脱色率逐渐升高，2 h后达到吸附平衡，此时脱色率为75.20%，稀释倍数为50倍。吸附时间继续增加，废水脱色率没有明显的变化，故吸附时间取2 h。

2.2.5搅拌速度对脱色率的影响

改变搅拌速度，在前述优选条件下分别吸附2h，结果见图7。当搅拌速度为100 r/min时，吸附脱色效果最好，脱色率为75.70%，稀释倍数为50倍。溶液的振荡能破坏吸附剂表面的动力边界层，从而加快酸性品红的外部膜扩散速率，提高吸附剂的吸附能力。在达到吸附平衡之前，随着搅拌速度的提高，吸附容量不断增大。但搅拌速度过大时，会影响吸附的进行，甚至将已经建立起来的吸附平衡破坏，加快解吸速率，导致脱色率下降[8]。在后续实验中，选取搅拌速度为100 r/min。

图6　吸附时间对脱色率的影响

图7　搅拌速度对脱色率的影响

2.2.6正交试验设计及验证

根据前述单因素试验结果，按L9(34)正交表设计正交试验，各试验因素、水平和结果如表3所示。改性香蕉皮吸附酸性品红模拟废水的最佳吸附条件为A2B2C2D3，即在100 mL初始质量浓度为30 mg/L的酸性品红模拟废水中投入改性香蕉皮粉末0.5 g，搅拌速度为100 r/min，吸附时间为2 h。各因素对吸附脱色的影响大小顺序为：搅拌速度＞吸附时间＞吸附剂用量＞初始质量浓度。在最佳吸附条件下进行一组验证试验，得到酸性品红模拟废水的脱色率为77.12%，高于正交试验中的最高脱色率（75.96%），稀释倍数为40倍，低于GB4289—2012中的排放限值，最佳条件得证。

2.2.7吸附等温方程的拟合

吸附剂所吸附物质的质量与该物质的性质、浓度和温度有关。描述被吸附物的质量与其在溶液中的浓度之间关系的公式称为吸附等温式，目前常用的公式有弗罗因德利希吸附等温式、朗缪尔吸附等温式等[7]。在最佳吸附条件下探讨25℃时的吸附等温线，分别用弗罗因德利希吸附等温式、朗缪尔吸附等温式进行拟合，结果见表4及图8、9。

表3　正交试验因素水平

表4　平衡质量浓度与平衡吸附量

图8　弗罗因德利希吸附等温线

以lgCe为横坐标、lgQe为纵坐标作图（由图8所示），即得弗罗因德利希吸附等温线，相关系数R＝0.9942。

以Ce为横坐标、Ce/Qe为纵坐标作图（见图9），即得朗缪尔吸附等温式，相关系数R＝0.9605。

图9　朗缪尔吸附等温线

两种吸附等温式方程的相关系数均大于0.96，说明改性香蕉皮对酸性品红的吸附与两种吸附等温方程均能较好地拟合。但弗罗因德利希方程的R值高于朗缪尔方程的R值，说明改性香蕉皮对酸性品红的吸附用弗罗因德利希方程拟合更佳。弗罗因德利希吸附等温方程假设吸附剂表面不均匀，交换吸附平衡常数与表面覆盖率有关[7]，即表明该吸附过程主要是多层吸附。

3　结论

（1）香蕉皮的最佳改性条件为硫酸物质的量浓度为2 mol/L，硫酸（以98%浓硫酸计）与香蕉皮的液固为3∶1，改性时间为30 min。

（2）正交试验表明，改性香蕉皮吸附酸性品红模拟废水的最佳吸附条件为：在100 mL初始质量浓度为30 mg/L的酸性品红模拟废水中投入改性香蕉皮粉末0.5 g，搅拌速度100 r/min，吸附时间2 h。各因素影响大小顺序为：搅拌速度＞吸附时间＞吸附剂用量＞初始质量浓度。在最佳吸附条件下改性香蕉皮对酸性品红废水的脱色率为77.12%，稀释倍数为40倍，低于GB4287—2012中的排放限值。

（3）香蕉皮对酸性品红废水的吸附与弗罗因德利希吸附等温方程拟合更好，说明该吸附过程主要是多层吸附。

参考文献：

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[8]贺宝元.壳聚糖/明胶微球对活性染料吸附净洗性能研究[D].西安:陕西科技大学,2012:57.

中图分类号X703.1

收稿日期：2015年4月

基金项目：污染物分析与源资化技术湖北省重点实验室开放基金项目（KL2013G04）

第一作者简介：胡巧开女1965年生副教授现主要从事环境工程教学及水污染控制研究工作

Adsorption of Acid Fuchsin by Modified Banana Peel

Hu Qiaokai Yu Zhongshan Chen Fang

Abstract:The modified banana peel is used as the adsorbent to treat the stimulant acid fuchsin wastewater.The results show that the optimum modifying agent for banana peel is sulfuric acid with the molar concentration at 2 mol/L,the ratio of liquid(acid)to solid(banana peel)is 3∶1,and the proper reaction time is 30 min.For the adsorption of acid fuchsin by modified banana peel,stirring rate and adsorption time are two important factors influencing the decolorization rate.The optimal adsorption conditions are listed as follows:the volume of acid fuchsin solution with the initial concentration at 30 mg/L is 100 mL,the amount of adsorbent is 0.5 g,the stirring rate is 100 r/min,and the adsorption time is 2 hours.Under above conditions,the decolorization rate of acid fuchsin wastewater is 77.12%,and the dilution ratio(40 times)is lower than the limit value regulated in Discharge standards of water pollutants for dyeing and finishing of textile industry(GB 4287-2012).The isotherm adsorption experiment shows that the adsorption of acid fuchsin by modified banana peel fits better with Freundlich isotherm equation.

Key words:Banana peel;Modification;Acid fuchsin;Adsorption;Decolorization rate