山藥提取物絮凝處理直接黑G特性研究

朱航　陳興祺　李世蓉　黃璽嘉　林少華

摘要：以山藥為原料，開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型高分子絮凝劑。采用有機(jī)溶劑沉淀法提取山藥天然有機(jī)物。通過(guò)FTIR和元素分析對(duì)山藥提取物（YE）進(jìn)行表征。考察山藥提取物絮凝劑投加量、溫度、pH、無(wú)機(jī)鹽和懸浮物含量對(duì)絮凝去除直接黑G的影響。結(jié)果表明：山藥提取物主要為多糖。投加YE能強(qiáng)化PAC去除直接黑G效果，隨著YE投加量的提高，直接黑G去除率也不斷提高。pH和溫度對(duì)YE的絮凝活性有明顯影響。在pH = 8.0～9.0時(shí)，YE則表現(xiàn)出良好的助凝效果。在5～25℃范圍內(nèi)有利于YE發(fā)揮絮凝作用。溶液中無(wú)機(jī)鹽與懸浮物對(duì)YE絮凝處理水中直接黑G影響不顯著。YE是一種去除水中直接黑G較理想的天然絮凝劑。

關(guān)鍵詞：絮凝劑; 絮凝;山藥提取物;多糖;直接黑G

中圖分類號(hào)：X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8023（2019）03-0069-05

Study on Coagulation Removal Characteristics of Direct Black G by Yam Extract

ZHU Hang， CHEN Xingqi， LI Shirong， HUANG Xijia， LIN Shaohua*

（School of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）

Abstract：Chinese yam was used as raw material to develop environmental friendly macromolecular flocculant. Natural organic matters were extracted from Chinese yam by organic solvent precipitation method. Yam extract （YE） was characterized by FTIR and elemental analysis. The effects of flocculant dosage， temperature， pH， inorganic salt and suspended solid on coagulation removal of direct black G were investigated. Results showed that the yam extract was mainly composed of polysaccharide. The coagulation removal of direct black G by PAC could be enhanced by addition of YE. The removal of direct black G increased with the increase of dosages of YE. Both of pH and temperature had significant influences on flocculation activity of YE. YE showed good coagulation aid effect at pH=8.0-9.0. The optimal temperature range for YE flocculant was 5-25℃. The presence of inorganic salt and suspended solid did not affect direct black G removal significantly. YE is an ideal natural flocculant for removing direct black G from water.

Keywords：Flocculant; coagulation; yam extract; polysaccharide; direct black G

0引言

野外施工如國(guó)防建設(shè)及重大基礎(chǔ)設(shè)施、森林采伐等，人員飲水安全是關(guān)系到項(xiàng)目能否順利實(shí)施的關(guān)鍵之一[1]?；炷に嚭?jiǎn)單、能夠有效地去除水中的懸浮物、膠體雜質(zhì)及細(xì)菌等，是水或廢水處理常規(guī)工藝環(huán)節(jié)。但傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)絮凝劑，如聚合氯化鋁，具有一定毒性，容易對(duì)人類的神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷[2]。有機(jī)合成絮凝劑因?yàn)樾跄Ч?，價(jià)格便宜而廣泛使用，但這些有機(jī)絮凝劑又存在不易生物降解，或者其單體（如丙烯酰胺）具有神經(jīng)毒性，甚至有潛在致癌性等[3]。因此有必要研究開(kāi)發(fā)低毒、經(jīng)濟(jì)和高效的絮凝劑。

大量排放的印染廢水對(duì)水環(huán)境和人體健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。針對(duì)水中染料的處理方法，如光催化法、復(fù)合材料降解法、電解法和膜分離法等[4-8]，存在工藝相對(duì)復(fù)雜，處理成本高等問(wèn)題。直接染料，如直接黑G，分子結(jié)構(gòu)呈平面線型，可以相互靠近并締合，形成穩(wěn)定的陰離子型膠體，因而適于采用混凝處理。本研究以資源豐富、健康無(wú)毒、富含淀粉的山藥為原料，提取天然有機(jī)高分子作為絮凝劑，研究其絮凝處理直接耐曬黑效果的水質(zhì)影響因素，探討開(kāi)發(fā)綠色無(wú)毒、環(huán)境友好型絮凝劑可行性。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1材料與設(shè)備

鹽酸、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇和氫氧化鉀等試劑，均為分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。直接黑G購(gòu)自上海佳英化工有限公司。山藥為南京市場(chǎng)購(gòu)得。

主要儀器與設(shè)備：HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州朗越儀器制造有限公司;JW-1032低速離心機(jī)，安徽嘉文儀器設(shè)備有限公司;GEX-9140MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;ZR4-6混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)，深圳中潤(rùn)水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司;UV752型紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)，上海精密儀器儀表有限公司;pH400型酸度計(jì)，安萊立思儀器科技公司;VERTEX80V傅里葉紅外光譜分析儀，德國(guó)布魯克公司。PE2400Ⅱ元素分析儀，美國(guó)珀金埃爾默公司。

1.2絮凝劑制備

將洗凈山藥去皮、粉碎，再按料液比1∶2加入去離子水，置于水浴鍋中，40 ℃水浴浸提2.5 h，過(guò)濾，濾渣重復(fù)上述水浴浸提操作，將兩次濾液混合加入4倍體積無(wú)水乙醇，并攪拌直至出現(xiàn)沉淀。然后在離心機(jī)中以4 000 r/min離心10 min，得到提取物沉淀。再于烘箱中40 ℃下烘至恒重，得到干燥提取物，密封后在5 ℃下儲(chǔ)存?zhèn)溆谩Ｊ褂脮r(shí)，將去離子水pH值調(diào)到10以溶解提取物，待完全溶解再將pH調(diào)回7。在提取物溶解及后續(xù)絮凝試驗(yàn)中pH均以0.1 mol/L的氫氧化鉀和0.1 mol/L的鹽酸調(diào)節(jié)。

1.3絮凝試驗(yàn)

以自來(lái)水配制初始濃度為100 mg/L的直接黑G模擬廢水。試驗(yàn)時(shí)，向盛有400 mL模擬廢水的燒杯中加入預(yù)先設(shè)定的絮凝劑投加量，于六聯(lián)攪拌機(jī)攪拌下進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)。單獨(dú)投加絮凝劑的攪拌程序?yàn)椋?00 r/min快速攪拌1 min，接著以40 r/min慢速攪拌15 min。然后靜置沉淀30 min，于液面下2 cm處采集水樣。在投加PAC的試驗(yàn)中，投加聚合氯化鋁（PAC）后在200 r/min快速攪拌0.5 min后，再加入山藥提取物絮凝劑繼續(xù)快速攪拌1 min，慢速攪拌、靜沉程序與單獨(dú)投加山藥提取物絮凝劑試驗(yàn)操作。水樣分析前均經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾。

1.4分析方法

采用傅里葉紅外光譜分析儀（FTIR）分析山藥提取物的表面官能團(tuán)，將提取物樣品研磨成粉狀，以溴化鉀作為載體壓片，掃描波數(shù)范圍4 000～400 cm-1。山藥提取物的碳?xì)涞睾坎捎肞E2400Ⅱ元素分析儀分析。

直接黑G濃度采用分光光度法在646 nm下進(jìn)行測(cè)定，溶液pH用pH400型酸度計(jì)測(cè)定。染料去除率計(jì)算公式如下：

R（%）=c0-cc0×100%。（1）

式中：R為染料去除百分率;C0為模擬廢水中染料濃度;C為處理后水中染料濃度。

2結(jié)果與討論

2.1絮凝劑表征

元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。分析表明，山藥提取物以C和H的化合物為主，同時(shí)含有少量的N和微量S元素，這可能是因?yàn)樘崛∥镏写嬖谏倭康牡鞍踪|(zhì)成分（如淀粉酶）及其他成分所致[9]。FTIR分析結(jié)果如圖1所示。山藥提取物在3 432 cm-1附近存在強(qiáng)的吸收峰這是因?yàn)樘穷惙肿又泻写罅康?OH基，其吸收峰，通常出現(xiàn)在3 200～3 600 cm-1之間。紅外光譜圖在2 920 cm-1和1 400 cm-1處的吸收峰可以認(rèn)為是C-H振動(dòng)峰。1 635 cm-1處的峰則是-OH基的彎曲振動(dòng)吸收峰;1 049 cm-1的吸收峰則為CH2-O-CH2的伸縮振動(dòng)[10-12]。FTIR分析表明，山藥提取物主要是多糖類物質(zhì)。后續(xù)中均以YE（yam extract）表示山藥提取物絮凝劑。

2.2絮凝影響因素

2.2.1絮凝劑投加量影響

在PAC投加量分別為20、30、40、50 mg/L，水溫25℃，pH為8.0的情況下，分別投加YE為0、1、2和5 mg/L，考察絮凝劑YE投加量對(duì)直接黑G去除效果的影響，結(jié)果如圖2所示。從圖2可見(jiàn)，單獨(dú)投加PAC時(shí)，直接黑G去除率隨著PAC投加量的增加而增大，這也和Jingxi Tie等人的研究結(jié)果一致[13]?；旌贤都覲AC+YE后，水中直接黑G的去除率比單獨(dú)投加PAC時(shí)明顯提高，且隨著YE投加量的提高，直接黑G去除率也不斷提高。如在PAC投加量為 30 mg/L時(shí)，不投加YE的去除率只有67%，而在投加PAC的基礎(chǔ)上，繼續(xù)投加YE為1、2、5 mg/L時(shí)，直接黑G去除率則可以分別達(dá)到74%、77%、82%。投加YE可以減少PAC的投加量。這是因?yàn)?，YE為天然有機(jī)高分子物質(zhì)，其長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)可以強(qiáng)化吸附架橋和網(wǎng)掃卷捕作用，從而產(chǎn)生更大的絮凝體以利于聚沉[14]。

2.2.2pH的影響

在PAC投加量為 30 mg/L，YE投加量為5 mg/L，水溫25℃情況下，調(diào)節(jié)溶液pH值分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，考察pH對(duì)直接黑G去除效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

在酸性和中性環(huán)境下，直接黑G的去除率高于堿性環(huán)境。在pH = 5.0～7.0時(shí)，不管單獨(dú)投加PAC，還是混合投加PAC+YE，直接黑G的去除率均可達(dá)到94%左右;隨著pH提高到8.0和9.0，直接黑G的去除率則出現(xiàn)了明顯下降。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也可觀察到在酸性和中性環(huán)境下形成的絮凝體比堿性條件下更多。就單獨(dú)投加PAC而言，這是因?yàn)橹苯雍贕是一種陰離子型染料，其分子中含有-SO32-基團(tuán)，因而其形成的膠粒帶有負(fù)電[13]。當(dāng)溶液中pH較低時(shí)，PAC可以形成帶正電的聚合水解產(chǎn)物和Al（OH）3，使得直接黑G容易脫穩(wěn)形成聚沉。當(dāng)溶液pH較高，水中OH-濃度增大時(shí)，陰離子膠團(tuán)之間靜電斥力增加，在一定PAC投加量下，染料膠粒更難被吸附聚集;另一方面，在水中pH達(dá)到8.0以上時(shí)，因?yàn)樗蠴H- 增多，導(dǎo)致形成更多Al（OH）4-，直接黑G難以脫穩(wěn)，從而使去除率下降[14-15]。單獨(dú)投加YE時(shí)，在堿性條件下的去除率低于酸性和中性環(huán)境，這可能是因?yàn)椋篩E為天然大分子有機(jī)物，在堿性條件下，主要以帶負(fù)電形式存在，所以其單獨(dú)絮凝去除直接黑G效果變差[16]。

在混合投加PAC+YE時(shí)，在酸性和中性環(huán)境下，投加YE的絮凝強(qiáng)化效果不明顯，盡管單獨(dú)投加YE時(shí)隨著pH值的降低直接黑G去除率有所增加。這可能是因?yàn)樵诒狙芯織l件下，直接黑G在只投加PAC時(shí)已可達(dá)到非常高的去除效率，所以再投加YE其增強(qiáng)效果并不顯著。但是，在堿性條件下，投加YE則表現(xiàn)出了良好的絮凝效果?；旌贤都覲AC+YE，直接黑G的去除率明顯高于單獨(dú)投加PAC時(shí)。在pH=8.0和9.0時(shí)，直接黑G的去除率比單獨(dú)投加PAC時(shí)分別提高了15%和10%。這說(shuō)明，在堿性條件下，可以考慮投加YE以增強(qiáng)PAC混凝去除直接黑G的效果。

2.2.3溫度的影響

在PAC投加量為 30 mg/L，YE 投加量為5 mg/L，pH值分別為8.0情況下，調(diào)節(jié)水溫為5、25、45 ℃，考察溫度對(duì)直接黑G去除效果的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，不同溫度下，不管是單獨(dú)投加YE，還是混合投加PAC+YE，YE均表現(xiàn)出明顯的絮凝作用，但對(duì)直接黑G的去除效果隨著溫度的提升有所下降。在溫度為5、25 ℃時(shí)，混合投加PAC+YE對(duì)直接黑G去除效果比單獨(dú)投加PAC時(shí)的去除率分別提升了14%、15%。說(shuō)明在5～25 ℃范圍內(nèi)有利于YE發(fā)揮絮凝作用。

2.2.4無(wú)機(jī)鹽的影響

在膠體脫穩(wěn)沉降過(guò)程中，溶液中電解質(zhì)溶液會(huì)存在一定的影響，且實(shí)際印染過(guò)程中通常會(huì)加入一些無(wú)機(jī)鹽來(lái)提高上染率，所以通過(guò)燒杯實(shí)驗(yàn)?zāi)M投加NaCl（投加量為0、100、250 mg/L），對(duì)絮凝效果的影響。試驗(yàn)中PAC投加量為 30 mg/L，YE 投加量為5 mg/L，pH值為8.0，水溫25 ℃。結(jié)果如圖5所示。

結(jié)果表明，在本試驗(yàn)條件下，在單獨(dú)投加PAC的情況下，NaCl的投加量對(duì)直接黑G的去除影響并不顯著。這可能是因?yàn)?，直接黑G膠粒本身呈負(fù)電，在其擴(kuò)散層會(huì)吸附一定數(shù)量的正電荷粒子，當(dāng)溶液中正電荷粒子濃度，如聚合氯化鋁產(chǎn)生的陽(yáng)離子達(dá)到一定值后，任何一次膠粒的碰撞都會(huì)發(fā)生聚沉，再投加電解質(zhì)，膠體擴(kuò)散層被繼續(xù)壓縮有限，此時(shí)不會(huì)增加明顯聚沉速率[17]。而單獨(dú)使用YE和混合投加PAC+YE時(shí)，考慮到Y(jié)E本身帶有負(fù)電，投加NaCl有利于其聚沉，從而造成了隨著NaCl投加量增加，出現(xiàn)了直接黑G去除率的小幅下降。但在溶液中存在一定量NaCl的情況下，不管是單獨(dú)投加，還是混合投加，YE仍表現(xiàn)出了明顯的絮凝或絮凝強(qiáng)化作用。

2.2.5懸浮物的影響

試驗(yàn)中，在PAC投加量為 30 mg/L，YE 投加量為5 mg/L，pH值為8.0，水溫25 ℃情況下，采用高嶺土模擬水中懸浮物對(duì)直接黑G去除效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖6表明，單獨(dú)投加PAC時(shí)，隨著投加量的增加，直接黑G的去除率出現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，這可能是因?yàn)?，高嶺土在直接黑G的絮凝去除過(guò)程中起到了成核作用。而在本研究條件下，當(dāng)水中存在一定量懸浮物時(shí)，不管單獨(dú)投加，還是混合投加，YE仍表現(xiàn)出明顯的絮凝或絮凝強(qiáng)化作用。盡管水中的懸浮物對(duì)絮凝效果表現(xiàn)出一定的負(fù)面影響，但這種影響并不顯著。

3結(jié)論

從資源豐富的山藥提取的有機(jī)高分子物質(zhì)主要為多糖類物質(zhì)，是一種去除水中直接黑G較理想的天然絮凝劑。研究表明：

（1）投加 YE能強(qiáng)化PAC去除直接黑G效果，隨著YE投加量的提高，直接黑G去除率也不斷提高。

（2）pH和溫度對(duì)YE的絮凝強(qiáng)化效果有較大影響。在pH=8.0～9.0時(shí)，YE表現(xiàn)出良好的絮凝效果。在5～25 ℃，有利于發(fā)揮YE對(duì)直接黑G的絮凝強(qiáng)化作用。

（3）溶液中無(wú)機(jī)鹽與懸浮物的存在，對(duì)YE絮凝處理水中直接黑G影響不顯著。

本研究只是對(duì)山藥提取物絮凝劑的水質(zhì)影響因素進(jìn)行了研究，后續(xù)有必要展開(kāi)絮凝劑改性和混凝工藝條件研究，以開(kāi)發(fā)更高效環(huán)保絮凝劑，并確定其最佳工藝條件。

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