潘沛玲

均苯四甲酸二酐改性柚子皮對(duì)鉛離子吸附性能研究

潘沛玲

（肇慶醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，廣東 肇慶 526200）

以模擬含鉛廢水為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究均苯四甲酸二酐改性柚子皮吸附劑對(duì)鉛離子的去除能力。研究改性柚子皮吸附劑的加入量、粒徑大小、吸附時(shí)間、pH、溫度等因素對(duì)廢水中鉛去除率的影響。結(jié)果表明：均苯四甲酸二酐改性柚子皮吸附法處理過的廢水中鉛的含量為（0.034 4±0.004 4）mg/L，耗時(shí)40 min，鉛的去除率為96.56%。

鉛；均苯四甲酸二酐；改性；柚子皮

廢水中各種重金屬引起的水污染對(duì)人類和環(huán)境都造成了很大的影響。重金屬離子主要是通過工業(yè)廢水、城市生活廢水和各種采礦廢水排放到自然環(huán)境中［1,2］。重金屬鉛的毒性非常大，它不僅會(huì)抑制動(dòng)植物生長(zhǎng)，而且還會(huì)危害動(dòng)物及人類的健康[3]。鉛及其化合物如果進(jìn)入機(jī)體后將對(duì)多個(gè)系統(tǒng)（神經(jīng)、造血、消化、腎臟、心血管和內(nèi)分泌等）造成危害，若含量過高則會(huì)引起鉛中毒。控制廢水中鉛的含量，減少其對(duì)環(huán)境的污染是非常必要的。傳統(tǒng)的處理重金屬方法包括電解法、吸附法、化學(xué)沉淀法、離子交換法、膜分離法等，它們?cè)诤U廢水的處理上應(yīng)用非常多，但是這些方法成本較高，而且很難到達(dá)國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)容易造成二次污染[4]。

本研究以均苯四甲酸二酐為改性劑，柚子皮為吸附劑原料，制備改性柚子皮吸附劑。該制備方法簡(jiǎn)便、低成本、無二次污染。本研究的目的在于探明均苯四甲酸改性柚子皮對(duì)水中Pb2+的吸附性能以及影響因素。

1 材料與準(zhǔn)備

1.1 試劑

H2SO4、NaOH、N,N-二甲基甲酰胺、均苯四甲酸二酐、乙二胺四乙酸二鈉、Pb(NO3)2，以上試劑均為分析純。

1.2 儀器

50 mL具塞比色管、恒溫振蕩器、原子吸收分光光度計(jì)、數(shù)控超聲波清洗器、噴霧干燥機(jī)、pH計(jì)、恒溫水浴鍋、電子分析天平、分子篩等。

1.3 改性柚子皮制備

把洗干凈的柚子皮置于80 ℃恒溫干燥箱中烘干，粉碎，得到柚子皮1，備用。把1 000 mL 30%異丙醇加入50 g 柚子皮1，在室溫下浸泡攪拌24 h，抽濾后，將樣品置于80 ℃ 的恒溫干燥箱中烘干，得到柚子皮2。在500 mL 1% NaOH 中加入20 g 柚子皮2，浸泡攪拌 24 h后抽濾，并用蒸餾水洗至近中性后烘干，得柚子皮3。將20.0 g均苯四甲酸二酐加入 500 mL N,N-二甲基甲酰胺中，完全溶解后加入 15.0 g柚子皮3，于80 ℃反應(yīng)3 h后離心，用去離子水、0.01 mol/L NaOH溶液洗滌產(chǎn)物數(shù)次，離心后將產(chǎn)物置于80 ℃烘箱中烘干得改性柚子皮4。將15 g柚子皮4置于燒杯中，加入1% 草酸500 mL，浸泡攪拌 24 h，抽濾，然后用蒸餾水洗多次，抽濾后，將樣品置于80 ℃的恒溫干燥箱中烘干，得到均苯四甲酸二酐改性柚子皮吸附劑。加入異丙醇的目的是去除柚子皮中小分子極性物質(zhì)以及色素；氫氧化鈉的皂化處理目的是使甲酯化的羧基水解變?yōu)轸然?；與草酸反應(yīng)，是在纖維素上引進(jìn)羧基基團(tuán)，使得表面親水基團(tuán)增加，提高活性官能團(tuán)的數(shù)目，使得吸附性能提高。

1.4 模擬Pb2+溶液的制備

鉛標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（1 mg/mL）：精密稱取1.598 0 g Pb(NO3)2溶解于10 mL 6 mol/L HNO3中，配制成1 000 mL溶液，備用。

硝酸鉛工作液（50 μg/mL）：用移液管移取5 mL的1 mg/mL的鉛標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液稀釋配制成100 mL溶液，備用。

2 實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

在6個(gè)50 mL容量瓶中分別加入硝酸鉛工作液0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0 mL，然后分別加入1 mL 6 mol/L HNO3溶液，加水稀釋至刻度，搖勻備用。以濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，在280 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示。

圖1 鉛標(biāo)準(zhǔn)工作曲線圖

2.2 吸附效果的測(cè)定

吸附劑吸附量計(jì)算公式:

重金屬去除率計(jì)算公式：

— 重金屬去除率，%；

0— 初始濃度，mg/L；

— 平衡濃度，mg/L；

— 溶液體積，mL；

— 吸附劑用量，g。

2.2.1 測(cè)定吸附平衡時(shí)間

在裝有模擬含鉛廢水的錐形瓶中加入一定量的均苯四甲酸二酐改性柚子皮，振蕩，每隔10 min取水樣測(cè)定鉛含量，當(dāng)前后兩次測(cè)出水樣中鉛含量接近時(shí)，可以把該時(shí)間看成吸附平衡時(shí)間[5]。

在錐形瓶中加入100 mL經(jīng)稀釋后的模擬含鉛廢水水樣，然后加入20 g均苯四甲酸二酐改性柚子皮，每隔10 min取樣測(cè)定鉛含量，計(jì)算吸附量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，吸附時(shí)間增加，吸附量也隨著增加，但是當(dāng)吸附時(shí)間大于40 min后，吸附量隨時(shí)間改變不大， 可以認(rèn)為改性柚子皮的吸附量在40 min基本達(dá)到恒定。所以，我們可以確定在利用均苯四甲酸二酐改性柚子皮吸附法去除模擬廢水鉛的實(shí)驗(yàn)中吸附平衡時(shí)間為40 min。

圖2 吸附平衡時(shí)間曲線

2.2.2 改性柚子皮加入量對(duì)吸附的影響

把5、10、15、20、25、30 g均苯四甲酸二酐改性柚子依次加入6個(gè)干凈的錐形瓶中，然后各加入100 mL模擬含鉛廢水水樣。在室溫下振蕩至吸附平衡后分別取樣測(cè)鉛含量，計(jì)算去除率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1所示。

表1 改性柚子皮加入量對(duì)吸附的影響

從表1中可以看出，去除率隨著改性柚子皮加入量的增加而增大，當(dāng)改性柚子皮的加入量從0.05 g/mL到0.10 g/mL時(shí)，模擬廢水中重金屬鉛的去除率也由94.93%增大到96.67%。然而從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以看到，當(dāng)加入量大于0.10 g/mL時(shí)，去除率并沒有明顯的改變。這說明在達(dá)到吸附飽和之前，廢水中鉛的去除率隨著加入量的增加而升高。因此， 0.10 g/mL是改性柚子皮最合適的加入量。

2.2.3 pH對(duì)吸附性能的影響

在5個(gè)錐形瓶中都加入100 mL模擬含鉛廢水水樣，同時(shí)利用NaOH和H2SO4溶液將溶液的pH值分別調(diào)節(jié)至3.00、5.00、7.00、9.00、11.00，然后各加入10 g均苯四甲酸二酐改性柚子皮，振蕩至吸附平衡后分別取樣測(cè)定吸附后廢水鉛含量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 pH值對(duì)吸附性能的影響

從表2數(shù)據(jù)分析，pH小于7時(shí)，pH值越大去除率也越大；pH等于7或者大于7時(shí)，去除率變化不大。因此改性柚子皮吸附廢水中鉛的最佳pH為7。以下實(shí)驗(yàn)在中性條件下進(jìn)行。適當(dāng)?shù)膒H值可以改變吸附劑表面的吸附性能，這是由于溶液中的H+會(huì)和吸附劑表面的-C=O 、-CHO、-COOH 、-OH等結(jié)合，與吸附劑表面官能團(tuán)結(jié)合了的H+隨著溶液pH值的升高而離解，造成大量的活性中心暴露在外面，重金屬離子因?yàn)檎紦?jù)了大量的活性中心而被吸附，因此pH值越大吸附量也就越大。

2.2.4 溫度對(duì)吸附性能的影響

在5個(gè)干凈的錐形瓶中各加入100 mL模擬含鉛廢水水樣，同時(shí)利用NaOH和H2SO4溶液把pH值都調(diào)至中性，然后各加入10 g均苯四甲酸二酐改性柚子皮，同時(shí)用恒溫水浴鍋分別把溫度控制在26、28、30、32、34 ℃，振蕩40 min至吸附平衡，分別取樣測(cè)定吸附后廢水中鉛含量，計(jì)算廢水中鉛的去除率。溫度對(duì)吸附的影響如圖3所示。

圖3 溫度對(duì)吸附性能的影響

從圖3可以得出，吸附能力隨溫度升高反而降低，在室溫下吸附效果較好。這是因?yàn)槲椒磻?yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度升高時(shí)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致吸附平衡破壞，吸附劑對(duì)重金屬的吸附量降低。

2.2.5 顆粒大小吸附性能的影響

在5個(gè)干凈的錐形瓶中各加入100 mL模擬含鉛廢水水樣，同時(shí)利用NaOH和H2SO4溶液把溶液的pH值調(diào)至中性，然后把10 g 80、100、120、140、160目的均苯四甲酸二酐改性柚子皮分別加入其中，在室溫下吸附40 min后分別取樣測(cè)定吸附后廢水中鉛含量，計(jì)算去除率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3數(shù)據(jù)可知，吸附能力的大小與吸附劑的粒徑有關(guān)，粒徑越小，吸附能力越強(qiáng)。這是由于吸附劑粒徑越小，孔隙擴(kuò)散速度反而越快，吸附性能就越強(qiáng)?？紤]成本、工藝等因素該實(shí)驗(yàn)選擇100目的均苯四甲酸二酐改性柚子皮。

表3 粒徑大小對(duì)吸附性能的影響

綜合考慮，均苯四甲酸二酐改性柚子皮對(duì)鉛離子的最佳吸附條件是：溫度為室溫，pH值為7，均苯四甲酸二酐改性柚子皮用量為0.10 g/mL，顆粒尺寸為 100目，吸附時(shí)間為40 min。

2.2.6 改性柚子皮吸附法去除廢水中鉛的實(shí)驗(yàn)

在6個(gè)干凈的錐形瓶中各加入100 mL模擬含鉛廢水水樣，同時(shí)利用NaOH和H2SO4溶液把溶液的pH值調(diào)至中性，同時(shí)加入100目10 g均苯四甲酸二酐改性柚子皮，在室溫下反應(yīng)40 min后分別取樣測(cè)定吸附后廢水中鉛含量，計(jì)算去除率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 改性柚子皮吸附法去除鉛實(shí)驗(yàn)

3 結(jié) 論

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，在最佳吸附條件下廢水中鉛的去除率達(dá)到96.50%以上，處理后的廢水鉛含量平均為0.034 4 mg/L，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.004 4，實(shí)驗(yàn)精確度符合分析標(biāo)準(zhǔn)。

［1］李增新，薛淑云. 廉價(jià)吸附劑處理重金屬離子廢水的研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，7（1）：6-11．

［2］喬秀麗.化學(xué)實(shí)驗(yàn)室無機(jī)廢液處理的方法探討[J].綏化學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（6）：167-168.

［3］陳新苗，馮小軍，曹紅梅.實(shí)驗(yàn)室廢水處理淺析[J].中國(guó)校外教育，2009（8）：132.

［4］廖江芬，張波，袁良財(cái).我國(guó)水處理劑的研究現(xiàn)狀[J].化工生產(chǎn)技術(shù)，2005，12（2）：39-43.

［5］羅均，葛靜微，楊曉波，等.改性柚皮纖維素對(duì) Pb2+的吸附動(dòng)力學(xué)研究[J]. 食品科學(xué)，2010，31（3）：87-90.

Study on the Adsorption Property of Lead Ion on Grapefruit Peel Modified by Pyrotropic Dianhydride

（Zhaoqing Medical College, Guangdong Zhaoqing 526200, China）

Taking simulated lead-containing wastewater as a research object, the removal ability of lead ion by grapefruit peel modified by pyromellitic dianhydride was studied experimentally. The effect of the amount of adsorbent, pH, time, temperature and particle size of adsorbent on the removal rate of lead from wastewater was investigated. The experimental results showed that, the lead content in the wastewater treated by the adsorption process was (0.0344±0.0044) mg/L,the lead removal rate was 96.56% after 40 minadsorption.

lead; pyromellitic dianhydride; modification; grapefruit peel

2019年肇慶醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校教科研項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：2019K22。

2019-04-13

潘沛玲（1982-），女，講師，碩士，廣東四會(huì)人，2014年畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，研究方向：廢水中重金屬處理。

X703

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1004-0935（2020）04-0351-04