香蕉皮制活性炭對含Cr(Ⅵ)廢水的吸附性能

王 麗，楊 威,，張雷坤，車春波，左金龍，李俊生，吳 春

(1 哈爾濱商業(yè)大學 生命科學與環(huán)境科學研究中心，哈爾濱 150076；2 哈爾濱商業(yè)大學 環(huán)境工程系，哈爾濱150076；3.哈爾濱商業(yè)大學 食品工程學院，哈爾濱 150076)

含重金屬的廢水是污染性很強的一類廢水，即使它的質(zhì)量濃度很小，也能產(chǎn)生很大的危害，而且它的毒性具有長期持續(xù)性，即通過飲水和食物鏈的生物濃縮、生物積累、生物放大等作用，對人類健康的影響和生態(tài)環(huán)境日益嚴重[1]，成為環(huán)境治理中越來越突出的問題[2].

香蕉系芭蕉科芭蕉屬多年生草本作物，香蕉皮中營養(yǎng)成分非常豐富[3～5]，用途很廣，例如用香蕉皮產(chǎn)沼氣[6].在避免環(huán)境污染的同時，還能將香蕉皮變廢為寶，提高香蕉了加工企業(yè)的經(jīng)濟效益[7].而且，果皮中的纖維類物質(zhì)含有大量的羥基，這些羥基通過化學改性之后，可以引入金屬離子吸附能力很強的活性基團.所以，可以通過一定的改性方法來將某些水果皮渣廢棄物制備成可用的活性炭[8]，并將其應用于重金屬廢水的處理中[9].

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與材料

721E型可見分光光度計(上海光譜儀器有限公司)、TDL80-2B臺式離心機(上海安亭科學儀器廠制造)、pHS-25數(shù)顯pH計(上海精密科學儀器有限公司)以及傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR spectrometer，天津港東科技發(fā)展股份有限公司).

香蕉(市售)、蒸餾水、重鉻酸鉀、濃H2SO4、濃H3PO4、丙酮、二苯碳酰二肼，氫氧化鈉、甲醛(37%)、鹽酸、氫氧化鉀(以上藥品均為分析純).

1.2 實驗方法

1.2.1 活性炭制備

采用Wennerberg方法，稱取適量NaOH改性后的香蕉皮粉末，分別置于馬弗爐中，以5 ℃/min的速度升至450 ℃，預焙燒1.5 h，然后，冷卻后取出產(chǎn)物，用蒸餾水洗滌過濾后，在110 ℃下烘干備用.

1.2.2 測定方法

1.2.3 吸附原理

香蕉皮中有豐富的纖維素、多酚類物質(zhì)和脂肪類等物質(zhì).纖維素由上千個單糖連接形成的高聚體，在酸性條件下水解成單糖.在纖維素的結(jié)構(gòu)單元中的每個單糖具有3個醇羥基，因為醇羥基上的氫原子有活性，所以具有去除重金屬離子的功能.而且某些纖維素還具有螯合金屬離子的功能.在多酚類物質(zhì)中含有酚羥基，其中的氫原子可以與重金屬離子進行交換.以上各物質(zhì)，很容易與重金屬離子發(fā)生置換反應，最終將重金屬離子轉(zhuǎn)化為沉淀物質(zhì).

2 結(jié)果與討論

2.1 Cr(Ⅵ)標準曲線的確定

由圖1可以看出隨著Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度的升高吸光度逐漸增大，即Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度與吸光度是成線性關(guān)系的.可以用于以后的實驗中，以計算比較準確的去除率.

圖1 六價鉻標準曲線圖

2.2 香蕉皮制得的活性炭吸附Cr(Ⅵ)的最佳條件的確定

2.2.1 改性香蕉皮制得的活性炭用量對Cr(Ⅵ)吸附性能的影響

結(jié)果如圖2所示，隨著改性香蕉皮制得的活性炭的用量的增加，Cr(Ⅵ)的去除率逐漸增加.當活性炭的用量大于0.5 g的時候，Cr(Ⅵ)的去除率趨于穩(wěn)定.

圖2 改性香蕉皮制的活性炭用量對去除率的影響

2.2.2 Cr(Ⅵ)溶液初始質(zhì)量濃度對吸附效果的影響

結(jié)果如圖3所示，隨著Cr(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度的增加，Cr(Ⅵ)的去除率呈減小的趨勢，但吸附量是增大的.即當鉻的初始質(zhì)量濃度為5 mg/L的時候，改性香蕉皮制得的活性炭對Cr(Ⅵ)的去除率最高.這主要是因為在低質(zhì)量濃度時，Cr(Ⅵ)能夠充分占據(jù)活性炭表面的活性位置，隨著質(zhì)量濃度的增大，活性炭不足以容納更多的Cr(Ⅵ).同時Cr(Ⅵ)在活性炭上的擴散速度有所增大，活性炭單位表面積上吸附的Cr(Ⅵ)也隨之增大，所以當活性炭的用量一定時，吸附容量會趨于平衡.

圖3 六價鉻的初始質(zhì)量濃度對去除率的影響

2.2.3 pH值的大小對吸附效果的影響

眾人興奮起來。礦區(qū)秧歌會，從解放初到現(xiàn)在，一直很有名氣?？伤麄冋叵履敲创笫露耍浅瞿敲创蟮?，還有心慶賀。何良諸覺得不可思議。

結(jié)果如圖4所示，隨著pH值的增大，改性香蕉皮制得的活性炭對Cr(Ⅵ)的去除率隨之增加，當pH值達到5的時候，改性香蕉皮制得的活性炭對Cr(Ⅵ)的去除率達到95.2 %，隨著pH值的繼續(xù)增大，改性香蕉皮制得的活性炭對Cr(Ⅵ)的去除率隨之降低.在吸附過程中，溶液中的pH值影響活性炭表面金屬的吸附點位及金屬離子的化學狀態(tài).

隨著溶液pH值的升高，活性炭表面的官能團被質(zhì)子化，表面電勢密度也會降低，金屬離子與活性炭表面的靜電斥力有所減小，由于活性炭表面的官能團是顯弱酸性的，在溶液pH值較高時，活性炭上的負電勢點會增多，所以利于金屬離子的接近并吸附在活性炭的表面上.然而，過高的pH值也不益于金屬離子的吸附，因為溶液中的OH-與金屬離子間的化學作用力有所增大，以致于去除率的相對下降.綜上所述，將溶液pH值控制在5.0比較好.

圖4 pH值對六價鉻去除率的影響

2.2.4 吸附震蕩溫度對Cr(Ⅵ)吸附性能的影響

結(jié)果如圖5所示，隨著溫度的逐漸升高，改性香蕉皮制得的活性炭對Cr(Ⅵ)的去除率增大，當溫度達到35 ℃的時候，去除率達到最高，隨著溫度的繼續(xù)升高，去除率趨于穩(wěn)定.所以，將溫度控制在35 ℃條件下是比較好的.

圖5 溫度對六價鉻去除率的影響

2.2.5 吸附時間對吸附效果的影響

結(jié)果如圖6所示，隨著吸附時間的延長，改性香蕉皮制得的活性炭對Cr(Ⅵ)的去除率逐漸增加，當吸附時間達到120 min的時候，對Cr(Ⅵ)的去除率達到最大，隨著吸附時間的繼續(xù)延長，對Cr(Ⅵ)的去除率有所下降.開始時吸附速率比較平穩(wěn)，當時間達到120 min時，吸附量達到最大，隨著時間的繼續(xù)延長，吸附不再進行，說明活性炭吸附已達飽和.所以，將吸附時間控制在120 min是最佳的.

圖6 吸附時間對六價鉻去除率的影響

綜合以上條件，改性香蕉皮制得的活性炭吸附Cr(Ⅵ)廢水的最佳條件確定為振蕩吸附時間為120 min，pH值為5，振蕩溫度為35 ℃，Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度控制在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 紅外光譜分析PAC表面官能團

紅外光譜是對化學基團進行定性和半定量分析的有效方法.實際活性炭上的官能團的質(zhì)量濃度不是很高，所以不可能都在紅外光譜中表現(xiàn)出來.以下分別對未改性的香蕉皮及NaOH 改性的香蕉皮制得的活性炭進行紅外光譜分析.分別見圖7、8.

圖7 未改性香蕉皮的IR光譜圖

由圖7看出，在3 434 cm-1的波長附近出現(xiàn)一個吸收峰，這是由于(-OH)的伸縮振動，羥基的出現(xiàn)可能與水分的存在有一定的關(guān)系，也可能是活性炭表面含有羥基所致.在2 919 cm-1的波長處有一個不太明顯的吸收峰，這可能是由于-CH2或-CH3鍵的伸縮振動所致.在1 600 cm-1的波長附近出現(xiàn)一個吸收峰，這可能是由于芳烴中CC的伸縮振動或是酰胺中N—H變形振動所致.在1 042 cm-1的波長附近出現(xiàn)一個吸收峰，這可能是由于醇R—OH或酸酐中C—O的伸縮振動或是醚中C—O—C伸縮振動或是胺中C—N伸縮振動所致.

由圖8可以看出，在3 434、2 930、2 600、1 640、1 400、1 010 cm-1等波長附近出現(xiàn)了吸收峰.改性之后，吸收峰變動較大.通過分析可知，NaOH 改性的香蕉皮制得的活性炭中可能含有主要有以下幾種官能團：芳香骨架、羧基、烯烴、羥基、醚基等.這些基團的存在，使活性炭不但具有吸附能力，而且具有催化作用，同時說明這些官能團可能是Cr6+的吸附中心.

圖8 NaOH改性香蕉皮的IR光譜圖

2.4 改性活性炭和未改性的活性炭對Cr(Ⅵ)去除效果比較

在溫度為35 ℃時，取50 mL質(zhì)量濃度為5 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液，控制溶液的pH值為5.0，吸附時間為120 min，分別加入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，比較兩者對Cr(Ⅵ)的去除率.結(jié)果顯示，改性香蕉皮制得的活性炭對Cr(Ⅵ)的去除率為95.2%，未改性的香蕉皮制得的活性炭對Cr(Ⅵ)的去除率為87.5%，說明改性處理可提高香蕉皮制得的活性炭對Cr(Ⅵ)的吸附率.

3 結(jié) 論

1)改性香蕉皮制得的活性炭對Cr(Ⅵ)有很強的吸附性，其對Cr(Ⅵ)的吸附去除率與溶液的pH值、Cr(Ⅵ)的初始質(zhì)量濃度、吸附時間、改性香蕉皮制得的活性炭的用量及溫度等因素有關(guān).

2)溶液的pH值對Cr(Ⅵ)的去除率有很大影響，隨著溶液PH值的升高，改性香蕉皮制得的活性炭對Cr(Ⅵ)的去除率不斷升高，當pH值達到5后，去除率有所下降，這與改性香蕉皮制得的活性炭表面功能基團帶電狀態(tài)、Cr(Ⅵ)在水溶液中的形態(tài)分布及pH值的變化有關(guān).對香蕉皮進行改性處理可提高其制得的活性炭對Cr(Ⅵ)的吸附去除率.

3)在溫度為35 ℃時，用0.5 g改性香蕉皮制得的活性炭處理50 mL質(zhì)量濃度為5 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液，控制溶液pH值為5，振蕩吸附120 min，在此條件下，Cr(Ⅵ)的去除率達到了95.2 %，殘余Cr(Ⅵ)的質(zhì)量濃度﹤0.5 mg/L，達到了Cr(Ⅵ)的排放標準.

4)改性香蕉皮制得的活性炭吸附Cr(Ⅵ)廢水的最佳條件確定為振蕩吸附時間為120 min，pH值為5，振蕩溫度為35 ℃，Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度控制在5 mg/L， 改性香蕉皮制得的活性炭的投加量控制在0.5 g.由于香蕉皮原料豐富，容易獲取，將其用來處理重金屬廢水，既可治理環(huán)境污染，又可以提高其綜合經(jīng)濟效益，有很好的應用前景.

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