李 倩

(湖北第二師范學(xué)院 a.化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院；b.湖北省環(huán)境凈化材料工程技術(shù)研究中心，武漢 430205)

含磷廢水直接或間接地危害著人類的生存環(huán)境，是當(dāng)今世界面臨的首要環(huán)境問(wèn)題[1]。而農(nóng)林廢棄物產(chǎn)量大，價(jià)格便宜，是重要的生物質(zhì)資源[2]-[7]。我國(guó)每年產(chǎn)生大量的農(nóng)林廢棄物，雖然用作飼料、肥料和制漿造紙工業(yè)原料，但其利用率不足總量的50%，仍有許多農(nóng)林廢棄物被棄置于自然環(huán)境或露天焚燒，不僅造成了環(huán)境污染，還浪費(fèi)了寶貴資源?；ㄉ鷼ぶ泻胸S富的纖維素[8]-[12]、多酚類物質(zhì)、礦物質(zhì)和脂肪類等，使其具有較好的吸附性能。但研究表明直接用花生殼吸附，效果不佳，故本課題組曾研究用硝酸改性花生殼，結(jié)果表面改性后花生殼對(duì)磷的吸附率可達(dá)到84.1%[13]，雖然吸附率較改性前有大幅提升，但仍有改進(jìn)空間。本論文擬探討用高錳酸鉀改性后的花生殼處理含磷廢水，進(jìn)一步提升對(duì)磷的吸附效果。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料、藥品、儀器與設(shè)備

花生殼購(gòu)于武漢東湖高新區(qū)某農(nóng)村煮熟花生殼，含磷廢水為實(shí)驗(yàn)室自制，實(shí)驗(yàn)試劑和儀器如表1、表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)藥品

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 花生殼的預(yù)處理

將花生殼用粉碎機(jī)粉碎后，過(guò)篩，用去離子水浸泡24h，去除懸浮物質(zhì)，在80℃烘箱內(nèi)烘干后放入干燥器中備用。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

1.2.2 單因素試驗(yàn)

1.2.2.1 改性溫度對(duì)磷吸附率的影響

稱取一定量的花生殼加入0.12mmol/L的高錳酸鉀溶液中，控制超聲功率為70W，考察改性溫度分別為35℃、45℃、55℃、65℃、75℃時(shí)對(duì)花生殼吸附磷的影響。改性30min 后取出冷卻，抽濾，洗滌，烘干后加入2μg/mL的自制含磷廢水溶液中，控制超聲功率為100W，溫度50℃，30min后取出，冷卻至室溫，離心，取上清液，用鉬酸銨分光光度法測(cè)定濾液吸光度。

1.2.2.2 改性時(shí)間對(duì)磷吸附率的影響

考察改性時(shí)間分別為10min、30min、50min、70min、90min時(shí)對(duì)花生殼吸附磷的影響。其他操作同1.2.2.1。

1.2.2.3 超聲功率對(duì)磷吸附率的影響

考察超聲功率分別為40、50、60、70、80W時(shí)對(duì)花生殼吸附磷的影響。其他操作同1.2.2.1。

1.2.2.4 高錳酸鉀溶液濃度對(duì)磷吸附率的影響

考察高錳酸鉀濃度分別為0.03、0.06、0.12、0.24、0.48mmol/L時(shí)對(duì)花生殼吸附磷的影響。其他操作同1.2.2.1。

1.2.3 正交試驗(yàn)

在單因素基礎(chǔ)上，進(jìn)行四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)。因素水平表見(jiàn)表3。

1.3 分析方法

1.3.1 試驗(yàn)方法

鉬酸銨分光光度法[14]測(cè)定磷的含量

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

1.3.2 計(jì)算方法

用不同條件下改性后的花生殼吸附實(shí)驗(yàn)室自制含磷廢水后，測(cè)定濾液吸光度，帶入磷標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算吸附后的廢水中殘余的磷濃度，按以下公式計(jì)算改性花生殼對(duì)磷的吸附率：

w=[(C0-Ce)/C0]×100%

其中，w是磷的吸附率(%)，C0，Ce分別為吸附前溶液中的磷的濃度和吸附后溶液中磷的濃度(μg/mL)。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

在700n m的波長(zhǎng)下，繪制磷質(zhì)量濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。

由圖1可知，擬合曲線的標(biāo)準(zhǔn)方程為y=0.42785x-0.00149，R2=0.99912，擬合較好，具有可靠性。

圖1 磷標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 改性溫度對(duì)磷吸附率的影響

改性溫度對(duì)磷吸附率的影響結(jié)果如圖2所示。由圖可知，隨著改性時(shí)溫度的逐漸升高，磷的吸附率基本呈增大趨勢(shì)，即改性效果越來(lái)越好。這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，用高錳酸鉀溶液改性的花生殼中的纖維素被打斷的越多，結(jié)晶度下降[15]，增加了很多空隙，因而比表面積增大，有效吸附位點(diǎn)增多，故而使改性后的磷吸附率越來(lái)越高。

圖2 溫度對(duì)磷吸附率的影響

2.3 改性時(shí)間對(duì)磷吸附率的影響

改性時(shí)間對(duì)磷吸附率的影響結(jié)果如圖3所示。由圖可知，改性花生殼的磷吸附率隨著改性時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)改性時(shí)間為50min時(shí)，磷的吸附率可高達(dá)95.57%，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，改性作用逐漸增強(qiáng)，主要是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，纖維素的結(jié)晶度下降，花生殼比表面積增加。而超過(guò)這個(gè)時(shí)間范圍時(shí)，花生殼最終的結(jié)晶度增加，比表面積減小，改性后的花生殼對(duì)磷的吸附率下降?？芍?，改性的時(shí)間不是越長(zhǎng)越好，最佳改性時(shí)間為50min。

圖3 時(shí)間對(duì)磷吸附率的影響

2.4 超聲功率對(duì)磷吸附率的影響

超聲功率對(duì)磷吸附率的影響結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，改性花生殼的磷吸附率隨著超聲功率的增大亦呈現(xiàn)先增大后減小的作用。當(dāng)改性時(shí)的超聲功率為60W時(shí)，磷的吸附率可高達(dá)95.27%。這可能是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，超聲功率的增加，使溶液中分子或離子傳質(zhì)作用增強(qiáng)，使花生殼與高錳酸鉀分子接觸得更充分，纖維素被打斷的越多，細(xì)纖維化程度增加，孔隙越多，比表面積更大，吸附位點(diǎn)更多，故而改性作用更好，而超過(guò)這個(gè)范圍， 使分子熱運(yùn)動(dòng)過(guò)于劇烈，使溶劑與花生殼接觸時(shí)間較短，使改性作用減弱，故而對(duì)磷的吸附率下降。由此可知，最佳超聲功率為60W。

圖4 超聲功率對(duì)磷吸附率的影響

2.5 高錳酸鉀溶液濃度對(duì)磷吸附率的影響

圖5 高錳酸鉀溶液濃度對(duì)磷吸附率的影響

高錳酸鉀溶液濃度對(duì)磷吸附率的影響結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著高錳酸鉀溶液濃度增加，磷的吸附率先增大后略有減小。當(dāng)高錳酸鉀溶液濃度為0.12mmol/L時(shí)，磷的吸附率可達(dá)93.87%。這主要是因?yàn)楦咤i酸鉀溶液濃度越大，改性后的花生殼的細(xì)纖維化程度越好[16]，結(jié)晶度降低，比表面積增加，改性效果越好。而當(dāng)濃度過(guò)高時(shí)，溶劑濃度增大，導(dǎo)致超聲波的空化效應(yīng)不易發(fā)生，故而使改性作用稍有減弱，磷的吸附率略有降低。故而，從經(jīng)濟(jì)效益和改性效果上考慮，改性所用的高錳酸鉀溶液的最佳濃度應(yīng)為0.12mmol/L。

2.6 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，四個(gè)因素影響的主次關(guān)系如下：高錳酸鉀溶液濃度>超聲功率>時(shí)間>溫度。理論上的最優(yōu)因素水平組合為A2B1C1D1，即溫度為65℃、超聲功率為50W、時(shí)間為30min、高錳酸鉀溶液濃度為0.06mmol/L。在此條件下改性后的花生殼對(duì)磷的吸附率高達(dá)95.87%。

圖6 正交試驗(yàn)極差分析圖

3 結(jié)論

高錳酸鉀改性花生殼的最佳條件為溫度65℃、超聲功率50W、時(shí)間30min、高錳酸鉀溶液濃度0.06mmol/L，在該條件下花生殼對(duì)磷的吸附率可達(dá)95.87%。根據(jù)以往研究成果[13]，用硝酸改性的花生殼吸附磷，吸附率最高僅達(dá)84.1%，較未改性花生殼，磷的吸附率有所提高，但不是最理想的途徑。本實(shí)驗(yàn)中，高錳酸鉀改性的花生殼對(duì)磷的吸附率大大提高，利用該法處理含磷廢水具有一定的應(yīng)用價(jià)值。