花生壳染料吸附剂的制备

陈洪敏，李希希，车自力

（1.重庆化工职业学院，重庆 401228；2.重庆市酉阳土家族苗族自治县生态环境局，重庆 409800）

花生是我国广泛种植的一种农作物，自古以来就有“长生果”的美誉，具有营养丰富，经济价值高的特点［1］。花生可以直接食用，也可以用于生产各种食品及花生食用油［2］。在加工利用花生的过程中会产生大量副产物，即花生壳以及花生渣［3］。在农村地区，大多数农民都会把花生壳当作垃圾处理，没能好好加以利用，浪费资源。花生壳中含有某些功能性成分（如木犀草素［4-5］、白藜芦醇［6］、黄酮类化合物［7-8］等），可用来制备保健品、药品等，已有研究者对其进行提取和性质研究。由于花生壳的主要成分为粗纤维，可以对其进行改性或者炭化处理以制备各种吸附剂。刘立华等［9］研究了花生壳对铜离子的吸附特性；贾启华等［10］通过硼酸-微波改性花生壳制备了镉离子吸附剂；滕福康［11］通过炭化花生壳制备了铅离子吸附剂；汤琪等［12］通过柠檬酸改性花生壳制备了铬离子吸附剂；曾婧等［13］通过改性花生壳制备了含磷废水处理剂等。染料是印染工业废水排放中常见的污染物，会对水体造成严重的污染，破坏水体生态平衡、危害人体健康［14］。吸附是处理含染料废水的经济而有效的方法，寻找高效的吸附剂是关键［15-17］。

本文利用高锰酸钾（KMnO4）溶液对花生壳进行预处理以及炭化处理，制备染料吸附剂，运用单因素实验以及正交实验对制备工艺进行优化，制得优良的含染料废水处理剂（染料吸附剂），以期为花生壳的综合利用，特别是利用花生壳制备水处理剂提供一定的参考。

1 实验

1.1 材料

花生（市售，产自重庆武隆），去离子水，高锰酸钾（KMnO4）、丙酮（C3H6O）、阳离子染料孔雀石绿（均为分析纯）。

1.2 仪器

CP2202S 电子分析天平（北京赛多利斯仪器公司），FW200 高速万能粉碎机（北京成萌伟业科技有限公司），TGL-10C 高速台式离心机（上海安亭科学仪器厂），UHP-Ⅳ-20T 超纯水机（成都超纯水科技有限公司），KQ-400 KDB 高功率数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司），752 型紫外-可见分光光度计（上海精密科学仪器有限公司），SA-1-12 箱式电阻炉［常奥仪器设备（南通）有限公司］。

1.3 实验方法

1.3.1 原料预处理

花生取壳、洗净、60 ℃烘干至恒重，粉碎机粉碎、过筛，取粒径0.30～0.45 mm 的粉末作为原料，用塑料袋密封后置于干燥器中备用。

1.3.2 吸附剂的制备

称取2 g 花生壳原料，按照不同液料比加入一定体积和浓度的KMnO4溶液中，置于超声清洗器中处理约10 min 使之充分浸润，转移至反应釜，密封升温至一定温度，恒温保持一定时间，冷却至室温；用C3H6O 和去离子水交替洗涤5 次，离心，固体部分80 ℃烘干24 h得吸附剂样品。

1.3.3 染料的吸附及吸附率测试

取150 mL 50 mg/L 孔雀石绿溶液于锥形瓶中，准确加入0.05 g吸附剂样品，室温下搅拌120 min，离心，测定上层清液染料的质量浓度，按下式计算吸附率：

式中：ρ0与ρ1分别为溶液中初始和吸附后染料的质量浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 液料比

用KMnO4溶液处理的目的是使吸附剂表面产生大量的含氧官能团，同时生成MnO2附着于表面，进一步提升其理化性能。由图1 可以看出，开始时吸附率随着液料比的升高而增大，当达到10∶1 时，吸附率达到最大值，此后吸附率随着液料比的升高略有减小。与文献［18］相似，开始时花生壳被KMnO4溶液浸润越充分，反应就越充分，产生的含氧官能团越多，吸附能力越强；当液料比高于10∶1 后，花生壳被过度炭化，孔结构减少，比表面积减小，吸附率略有下降，因而液料比选择10∶1。

2.1.2 KMnO4溶液浓度

由图2 可以看出，开始时吸附率随着KMnO4溶液浓度的增大而升高，0.5 mol/L 时吸附率达到最大值，此后吸附率随着KMnO4溶液浓度的增大略有下降。开始时花生壳中产生的含氧官能团增多，吸附能力不断增强；当KMnO4溶液浓度高于0.5 mol/L 后，花生壳被过度炭化，破坏了纤维素的网络结构，比表面积有所减小，吸附率略有下降，因而KMnO4溶液浓度选择0.5 mol/L。

2.1.3 温度

由图3 可以看出，开始时吸附率随着温度的升高而不断增大，180 ℃时吸附率达到最大值，此后吸附率随着温度的升高略有减小。

开始时花生壳炭化越充分，形成的孔结构越多，比表面积越大，吸附能力越强；高于180 ℃后，少量的孔结构被破坏，比表面积有所减小，吸附率略有下降，因而温度选择180 ℃。

2.1.4 时间

由图4 可以看出，开始时吸附率随着时间的延长而迅速增大，4 h时吸附率达到最大值，此后吸附率随着炭化时间的延长而略有下降。起初花生壳炭化越充分，形成的孔结构越丰富，比表面积也就越大，吸附能力越强，吸附率不断增大；4 h 时，比表面积达到最大值，吸附率达到最大值；此后随着炭化时间的延长，花生壳被过度炭化，一些孔结构被破坏，比表面积减小，吸附率降低，因而时间选择4 h。

2.2 正交实验

由表1 可以看出，B极差最大，说明KMnO4溶液在对花生壳进行处理时作用较大，直接关系到吸附剂样品表面活性基团的数量及理化性质，因而在实验过程中要严格、准确地控制KMnO4溶液浓度。D极差排第二，说明时间对吸附剂样品的吸附率也有较大影响；在一定温度下，时间决定炭化是否充分和过度炭化孔结构被破坏的程度，因而在实验过程中也应该加以严格控制。C极差排第三，温度决定是否能产生炭化和炭化的程度；在一定温度范围内，花生壳都能被炭化，因而对吸附剂样品的影响不是很大。A极差最小，说明液料比对吸附剂样品吸附率的影响最小，在一定的液料比范围内，花生壳都能被浸透，KMnO4溶液能够与之发生反应。

表1 花生壳吸附剂吸附孔雀石绿的正交实验表

续表1

2.3 优化工艺条件验证

由表1 可以看出，由花生壳制备染料吸附剂的工艺优化组合为A2B3C2D3，即液料比10∶1、KMnO4溶液浓度0.5 mol/L、温度180 ℃、时间4 h。为验证优化工艺条件是否正确，在该制备条件下分别进行4 次平行实验，得到的吸附剂样品对孔雀石绿的吸附率分别为96.7%、97.7%、96.5%、96.2%，平均值为96.8%，吸附效果好，实验重现性好，说明用花生壳制备染料吸附剂的优化工艺合适。

3 结论

用花生壳制备染料吸附剂的优化工艺条件：液料比10∶1、KMnO4溶液浓度0.5 mol/L、温度180 ℃、时间4 h。制得的吸附剂样品对阳离子染料孔雀石绿显示出良好的吸附性能：0.05 g 吸附剂样品对150 mL 50 mg/L 孔雀石绿在室温下静态吸附120 min，吸附率可以达到96.8%。