柚子皮生物吸附剂化学改性及其对Pb2+吸附性能的研究

吴专丽，冶鹏辉，张 浩，何昌树，曹 竑*

（西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730000）

随着我国工业的快速发展，废水大量产生和排放，土壤和水源中重金属离子含量也快速增加，重金属污染问题日益严重，其中铅污染带来的危害不容小视，经食物链富集给人类健康带来严重的威胁。研究表明，环境中的铅离子及其化合物主要是通过皮肤、消化道、呼吸道进入体内与多种器官亲和，对神经、血液、消化、心脑血管、泌尿等多个系统造成损害，严重影响体内新陈代谢[1]。柚子属于农林废弃物，皮相对较厚，约占整个柚子重量的44%～54%，主要成分是纤维素、半纤维素、木质素、果胶和水分[2]。本研究主要以常见的农林废弃物--柚子皮为原材料通过化学改性制备生物吸附剂，用于吸附溶液中铅离子，一方面可实现农林废弃物的再利用，变废为宝，另一方面，合成的生物吸附剂处理含铅废水，具有原料来源广泛，成本低廉，操作简单等优点[3]，而且废水中的铅离子被吸附后，通过解吸、富集，还可以作为铅资源进行回收，实现金属的循环利用，对资源的综合利用以及环境的可持续发展具有双重意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

柚子皮、氢氧化钠、巯基乙酸、乙醇，所用试剂均为分析纯，金属铅粉。

1.2 实验仪器

粉碎机、筛子、磁力搅拌机、抽滤、WFX-130B原子吸收分光光度计、电子分析天平。

1.3 方法

1.3.1 金属铅废水的制备

称取金属铅1.000g，至于1000mL大烧杯中，后加入50mL硝酸使金属铅溶解。搅拌均匀后将其转移至1000mL容量瓶内，加蒸馏水至刻度线，此时得到浓度为1mg/mL的含铅废水，用时按比例稀释成所需要的浓度。

1.3.2 未改性的柚子皮粉末吸附剂的制备

用蒸馏水清洗新鲜的柚子2～3次，剥皮后将柚子皮切成大小均匀的约2cm×2cm的块状，置于干燥箱内70℃恒温干燥至质量恒定，经过粉碎机粉碎后过40目筛即可得到，收集后干燥密封保存。

1.3.3 碱改性的柚子皮粉吸附剂的制备

称取20g未改性柚子皮粉末，加入0.1mol/L的NaOH溶液300mL，匀速搅拌5h，然后在室温下抽滤，并且使用蒸馏水清洗多次至滤液pH=7.0，得到糕饼状的抽滤产物，将其放入35℃干燥箱中烘干24 h，收集后干燥密封保存。

1.3.4 巯基乙酸改性的柚子皮粉末吸附剂的制备

称取20g经过氢氧化钠处理的柚子皮粉末,用1%巯基乙酸浸泡12h进行改性,在室温下抽滤的同时用蒸馏水反复清洗至滤液接近pH=7.0、于35℃干燥箱干燥24h,收集后干燥密封保存。

1.3.5 比较3种吸附剂粉末对铅离子的吸附能力

分别称取1.0g粒度为40目的上述3种柚子皮粉末置于三个100mL烧杯中并做好标记，分别加入50mL浓度为0.5mg/L的铅离子模拟废水，匀速搅拌2h，静置30min后使用滤纸过滤得到澄清液。用原子分光光度计分别测量3种澄清液中的铅离子浓度，进行比较分析，测量结果如图1。

图1 3种吸附剂粉末对铅离子的吸附能力

1.3.6 比较酸碱度对3种柚子皮吸附剂粉末吸附能力的影响

取12个100mL的烧杯，分别标记A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4。在12个烧杯中各加入50mL浓度为0.5mg/L的铅离子模拟废水，在A烧杯中均加入1g未改性的柚子皮粉末，B烧杯中均加入1g碱改性的柚子皮粉末，C烧杯中均加入1g巯基乙酸改性的柚子皮粉末，搅拌摇匀后，为编号为1的四个烧杯按顺序分别调节pH值为2、4、6、8，编号为2、3、4的烧杯作上述同样处理。然后将12个处理迅速搅拌2h，静置30min后使用滤纸过滤得到澄清液。用原子分光光度计分别测量这12个样中铅离子的浓度，实验结果如图2。

图2 酸碱度对3种柚子皮吸附剂粉末吸附能力的影响

1.3.7比较温度对3种柚子皮吸附剂粉末吸附能力的影响

取 6个 100mL烧杯，标记 A1、A2、A3、A4、A5、A6。在6个烧杯中各加入50mL浓度为0.5mg/L的铅离子模拟废水，和1g未改性的柚子皮粉末，调节pH=4后分别置于温度为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃恒温水浴锅中搅拌2h，静置30min后使用滤纸过滤得到澄清液，用原子分光光度计分别测量这6个样中铅离子的浓度，实验结果如图3。

图3 温度对3种柚子皮吸附剂粉末吸附能力的影响

1.3.8 筛选出最佳条件后比较3种柚子皮粉末吸附能力

在初步试验基础上确定最佳吸附环境温度和溶液酸碱度，再此理论最佳条件下进行吸附试验，实验结果如图4

2 实验结果与分析

2.1 3种吸附剂粉末对铅离子的吸附能力

结果表明，在常温（25℃） 状态下，巯基乙酸改性柚子皮吸附能力最强，达到未改性柚子皮吸附能力的3倍之多，碱改性柚子皮吸附能力相比未改性柚子皮略有增强。推测经处理后，柚子皮表面结构发生利于改变吸附方向的改变。经碱处理，柚子皮表面部分木质素被去除，使得纤维素更粗糙并出现许多不规则小孔，吸附量增加。巯基乙酸改性柚子皮吸附能力显著提高，说明它在柚子皮表面引入的巯基能有效地与铅离子结合。

图4 最佳条件3种柚子皮粉末吸附能力比较

2.2 酸碱度对3种柚子皮吸附剂粉末吸附能力的影响

实验表明，当pH＜4时，3种吸附剂的吸附能力均随pH的升高而升高；在pH＞4时，随pH升高而降低。且当溶液为碱性时，其吸附能力急剧下降。推测当pH极低时，氢离子质量浓度较高与铅离子竞争可吸附基团，当溶液为碱性时，氢氧根浓度较高，与铅离子形成沉淀而无法被吸附基团吸附。

2.3 温度对3种柚子皮吸附剂粉末吸附能力的影响

实验表明，温度对3种柚子皮粉末吸附剂的影响较小，但整体呈现随温度升高而升高的趋势。推测是由于温度升高，铅离子运动速率增加，单位时间内吸附量增多。但在实际应用中，加热需要消耗大量热能，增加成本，故建议在常温下进行即可。

2.4 理论最佳条件下3种柚子皮粉末吸附能力比较

此时在溶液pH=4，温度为45℃的条件下进行试验，得到未改性柚子皮粉末吸附率为10%，碱改性柚子皮粉末吸附率为17%，巯基乙酸改性柚子皮粉末吸附率为30%。

3 结论

巯基乙酸改性柚子皮粉末吸附铅离子能力显著高于其他两种吸附剂，其次为碱改性柚子皮。酸碱度对吸附能力的影响较大，其中酸性条件下吸附能力强于碱性环境，但若酸性过强则抑制其吸附铅离子。温度对柚子皮吸附能力的影响较小，总体呈现随温度升高吸附效率升高趋势。