高锰酸钾改性花生壳对水中酸性品红的吸附特性研究.docx

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高锰酸钾改性花生壳对水中酸性品红的吸附特性研究

1前言

1.1研究背景

每个生命和它的健康都需要水来维系，水在地球上覆盖的面积虽然有71%，但是淡水资源却是非常的有限，人类能够真正利用的确仅仅只有江河湖泊和地下水中的一小部分，只占地球总水量的0.26%。

在全球各个国家中，我国是一个缺水比较严重的国家。

我国的淡水资源总量大概为28000亿立方米，占到了全球淡水资源的6%，位居世界第四位。

即使这样，我国每人平均拥有的水资源量却仅仅只有2300立方米，是世界平均水平的1/4，全球范围内属于水资源最贫乏的国家之一。

同时，我国又是世界上用水量最大的国家。

仅仅2002年这一年，全国范围内淡水的用量就高达到5497亿立方米，大约占每年世界淡水取用量的13%。

伴随这个，我国的水资源污染日趋严重。

在我国，造成水污染的两个重要因素是工业污染和城市污水。

其中，工业污水占水污染的69%，而生活废水占31%。

就工业废水这一方面，纺织印染业是主要的排放源，排放超过80%的纺织废水。

根据统计的数据显示，在2008年，纺织工业排放的废水就已经达到了23亿吨，位于工业行业的前3位，占全国工业废水总排放量的10.60%。

因为中国的工业状况，各行各业都需要染料，所以在生产过程中产生的印染废水也相对较高，染料使用过程中的耗水量也大。

印染厂每加工100m织物，就会产生3~5吨废水[1]。

人类可用水资源太少，而印染废水的产量大，污染相对严重，这就直接威胁着人类的生活和生产，因此，印染废水的处理迫在眉睫。

1.2本课题研究的目的及意义

我国纺织印染工业产生的废水不但污染物浓度高、色度深，而且排放量大、结构复杂,大多是不易被生物降解的。

而其中酸性品红是水溶性酸性染料的代表，其结构中含有对生物呈强抑制作用的苯环，并且为高共辆分子体系，很难采用生物化学方法降解成小分子[2]。

因此，印染废水的处理一直以来都作为环境科学的研究重点。

在传统吸附剂中，活性炭为其主要的一种，对染料具有良好的吸附性能，但由于不易再生且价格昂贵，使得处理印染废水的成本太高。

而农作物废弃物如果壳、秸秆、蔗渣、玉米芯和花生壳等含有比较丰富的纤维素。

纤维素包含有许多优点，例如其分子内含有大量亲水羟基，该羟基拥有比表面积大和多孔性的特点，使这类农作废弃物拥有很好的吸附性。

而纤维素又作为天然高分子材料的一种，在自然界中拥有巨大的储存量。

同时，纤维素还具有价格低廉且容易获得，容易被微生物降解，不会给周围环境造成二次污染的特点。

而且农作废弃物可以作为吸附材料的种类非常丰富，花生壳就是其中一种。

花生在我国作为主要经济作物和主要油料作物，花生总质量的1/3都是那些废弃的花生壳，而花生壳里面有75%~80%都是纤维素。

而通过使用高锰酸钾对花生壳进行改性后，使得花生壳的表面增加更多的孔隙和通道，把原来的纤维素连接打断，让花生壳表面上的纤维素暴露出更多的化学键，这使得花生壳比表面积增大，并且有利于花生壳上的有效吸附位点与溶液中酸性品红的接触和新官能团的接入。

同时，在改性时还打断了花生壳中纤维素里的β-1,4-糖苷键，它主要是链接葡萄糖分子的化学键，并破坏了部分纤维素上的葡萄糖基中的分子环，而在打断的化学键上连接了更多的羟基，可能还含有其他的官能团，这大大提高了花生壳对酸性品红的吸附性能，增加了改性花生壳的吸附容量。

有其他的研究发现，花生壳通过高锰酸钾改性后，能让其等电点减小、比表面积变大和含氧官能团更加丰富，同时也能使高锰酸钾氧化生产二氧化锰聚集在花生壳的表面，让花生壳的吸附性能更好。

因此，本研究能为花生壳在废水处理方面的运用提供实际依据。

1.3国内外研究进展

印染废水是一种有机废水，含有致突变、致癌、致畸的化合物，它的特点是COD和BOD的变化大，色度大，难生物降解等。

在目前，则是公认的一种难处理的工业废水。

其中酸性品红是一种三苯甲焼染料,分子式见图1.1[3]。

图1.1酸性品红分子式

因为酸性品红会在溶液中电离出Na+,所以本身变成带负电荷的阴离子,因此被称做酸性染色剂。

酸性品红主要应用在生物染色剂、鉴定氯离子等。

在医院、石油化工、生物化学等行业都有广泛的应用。

酸性品红的特点是有较强的染色性能和具有毒性,分子里含有对生物起到强抑制的苯环结构,,在降解时会面临一定的困难[4]。

目前对其在废水中的去除的研究较少,主要集中在光催化氧化、电催化降解和吸附方面。

徐蕾等[5]采用高压萊灯为灯源,考察了H2O2与UV/Ti02协同体系对酸性品红的降解效果,在初始pH为7,Ti02用量为0.2g/L时,降解效果较好。

并且发现当pH〉8时,酸性品红溶液会发生褪色现象；Hoffmann等[6]用纳米级的Ti02对酸性品红进行光催化氧化降解,结果表明,在用量为0.25g/L时,3h后降解率可达95%;孙润录等[7]的实验结果表明，通电降解会使酸性品红在电场的作用下迁移到阴极附近,在达到一定的浓度后去除,会取得了较好的效果;汤敏等[8]和Ayarif等[9]都用钠基膨润土对酸性品红进行过吸附实验,发现酸性品红在常温条件下能自发进行吸附,且随着温度的升高,吸附量有变大的趋势。

叶琳、白雪和陈宏[10]表明改性豆渣对酸性品红的吸附既存在物理吸附又存在化学吸附，豆渣对酸性品红的吸附反应是自发进行的，是吸热反应，是熵增加的过程。

总体来讲,以上所叙述的对里面含酸性品红的废水的处理方法,都取得了阶段性的成果。

但不管是电催化还是光催化降解,都需要消耗大量的能量,且在操作上也具有一定的难度。

钠基膨润土作为吸附剂也存在着或多或少的问题，比如制备时就存在难度。

因此,寻求一种无污染、操作方便、低廉、高校的吸附剂是当前研究人员重点关注的问题。

在这前提下,使用生物质类材料作为吸附剂的基础制备材料,吸附废水中的酸性品红，再对其进行研究,这具有极其重要的研究意义。

在进行农业以及林业生产过程中产生的淘汰物被称作农业废弃物，包括秸秆。

木屑、谷壳等的生物质是农业废弃物的主要类型。

在经济学的方面，农业废弃物就是指农业的生产和再生产过程中，资源的投入与产出的能量和物质之间的差额，是资源在使用的过程中物质和能量流失的比例。

农业废弃物的数量巨大，并且拥有价格低廉、循环再生且周期短、能进行生物降解、不会对环境造成污染和绿色能源等众多优点，而且在它们的结构中也有孔隙度高、比表面积大和容易与染料离子发生物理吸附的特点。

McKay[11]等发现废水中的酸性红114、酸蓝25、碱性红22和碱蓝69四种染料可以被甘蔗渣良好的吸附处理。

GongRenmin等[12]表明花生壳在作为为离子型染料吸附剂时，会对染料废水进行很好的处理。

杨莉、赵晖[13]用花生壳粉作为吸附剂来吸附水溶液中的活性染料的研究表明，花生壳粉对活性黄M－3RE、活性蓝M－2GE、活性红3BS染料均有较好的吸附效果。

邹卫华、李苛等[14]表明花生壳对阳离子染料亚甲基蓝、中性红和孔雀石绿具有很好的去除效果.染料初始浓度、pH值、吸附时间和浓度对吸附有影响.吸附等温线均符合Langmuir和Freundlich方程,吸附过程均符合准二级动力学模型。

最近几年，我国在处理染料废水时，也逐渐开始利用农业废弃物作为吸附剂进行吸附，这样不但充分的利用了农业废弃物，开辟了农业废弃物被利用的新途道路，同时也能高效率地去除废水中的染料，达到变废为宝的目的,对我国开发以保护环境为目的的环保高效的新技术，提供了一个长远的发展方向，因此具有深远和现实的重要意义。

1.4课题研究的内容

本文以花生壳为研究对象，研究花生壳经高锰酸钾改性后对酸性品红的吸附性能，具体包括：

（1）研究在经过高锰酸钾改性后的花生壳对溶液中的品红的吸附性能，研究改性过后的花生壳投加量、酸性品红的初始溶度、对酸性品红的吸附时间以及溶液pH对吸附性能的影响。

（2）用Langmuir模型和Freundlich模型的吸附等温方程分别对经过高锰酸钾改性的花生壳吸附酸性品红的吸附等温数据进行拟合分析

（3）利用吸附时间对吸附性能影响的数据，分别使用比较常用的两种动力学模型对改性花生壳吸附酸性品红的数据进行拟合，分析吸附的动力学模型。

1.5本课题研究路线

本课题研究路线图如图1.2所示。

剪碎

改性

图1.2实验流程图

2材料与方法

2.1实验药品与仪器

2.1.1实验材料

实验中花生壳来自附近农家，剖去花生粒后，将花生壳在自来水中浸泡几个小时后清洗几遍去除其上粘附的污泥和杂质，再用去离子水冲洗2~3遍，在60℃恒温下烘干，剪成1cm2的小块，密封保存备用。

2.1.2实验仪器

试验器皿：

200mL锥形瓶，100mL容量瓶，250mL、500mL、1000mL烧杯，培养皿，玻璃棒，1L容量瓶，100mL量筒，1mL、5mL、10mL移液管等。

实验主要仪器见表2.1。

表2.1主要实验仪器

仪器名称

型号

生产厂家

电子天平

CP224C

奥豪斯（上海）仪器有限公司

电热鼓风干燥箱

101A-1

上海实验仪器长有限公司

可见分光光度计

T722

上海精密科学仪器公司

pH测量仪

MP523-01

上海三信仪表厂

磁力加热搅拌器

79-1

常州国华电器有限公司

2.1.3实验药品及试剂

实验所用药品及试剂见表2.2。

表2.2实验所用药品及试剂

试剂名称

化学式

生产厂家

高锰酸钾

KMnO4

天津市申泰化学试剂有限公司

酸性品红

C20H17N3Na2O9S3

天津市光复精细化工研究所

氢氧化钠

NaOH

天津市百世化工有限公司

盐酸

HCl

天津市科密欧化学试剂有限公司

2.2实验方法

2.2.1改性花生壳的制备

首先，将预处理后的花生壳浸泡在浓度为15g·L-1的高锰酸钾溶液中，投加比例为每1L溶液中加入10g花生壳材料，然后在常温下以磁力搅拌器搅拌改性反应为24h，改性完成后用去离子水清洗三到四次，直至清洗后的水无明显颜色，最后将其放入烘箱中以60℃恒温烘1~2d，取出后密封保存。

2.2.2酸性品红的配制

用少量去离子水溶解0.1g酸性品红粉末，用去离子水定容于1000ml的容量瓶中，溶液浓度为100mg/L。

以配置的标准浓度为100mg/L的酸性品红溶液为母液，使用时将其稀释成所需浓度。

2.2.3酸性品红标准曲线的测定

以配置的标准浓度为100mg/L的酸性品红溶液为母液，分别配制0mg/L、1mg/L、5mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L的溶液，去离子水为参比，用紫外-可见分光光度计在540nm处检测。

得到上述各标准溶液的吸光度，并以酸性品红浓度C为纵坐标，吸光度A为横坐标，作标准曲线图2.1，得吸光度A与酸性品红浓度C的数学关系式。

图2.1酸性品红标准曲线

根据图，可以得到吸光度A与酸性品红浓度C的数学关系式，即：

式中：

c——溶液中酸性品红浓度，mg/L

A——吸光度

2.2.4单因子影响吸附累加实验

2.2.4.1花生壳投加量对吸附性能的影响

量取浓度为10mg/L酸性品红溶液50mL放入250mL锥形瓶中，投加量分别为：

0.1g、0.2g、0.4g、0.6g、0.8g。

实验条件：

静置24h，室温（25°C）。

测量方式：

静置24h后取上清液用紫外-可见分光光度计在540nm处测吸光度，完成后,做好记录。

2.2.4.2吸附时间对吸附性能的影响

量取浓度为10mg/L的酸性品红溶液50mL放入250mL锥形瓶，称取一定量的吸附剂进行吸附实验，取样时间分别为10min,、30min、60min、90min,、120min、240min、360min、480min、600min和720min。

实验条件：

室温（