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醋糟对模拟废水中Pb~(2+)的吸附性能研究



全 文 :醋糟对模拟废水中Pb2+的吸附性能研究
徐清萍,纵伟,孟君
(郑州轻工业学院 食品与生物工程学院,郑州 450002)
摘要:研究醋糟在模拟废水中吸附Pb2+的性能。考察温度、pH值、吸附时间、吸附剂用量和初始Pb2+
浓度等对醋糟吸附Pb2+的影响。结果:醋糟在较广泛pH范围3~10,温度25~40℃时,对低浓度废水
中的Pb2+具有较高吸附率,醋糟对Pb2+的吸附率达到91%以上。醋糟对Pb2+的吸附为快速吸附,在
初始Pb2+浓度低于64.84mg/L、醋糟用量33.33g/L时吸附率达到94%以上。醋糟用量在7g/L时,
吸附率达到92%以上。Na+,K+对醋糟吸附Pb2+的影响较小,Ca2+,Mg2+在浓度大于500mg/L时,
会对醋糟吸附Pb2+造成一定影响。结论:醋糟对固态发酵醋产品铅含量控制有一定影响;醋糟的再利
用需防止重金属污染;醋糟可作为低浓度含铅废水的潜在吸附剂。
关键词:铅离子;醋糟;吸附;综合利用;废水处理
中图分类号:TS201.1   文献标志码:A    doi:10.3969/j.issn.1000-9973.2015.11.006
文章编号:1000-9973(2015)11-0023-05
Adsorption Property of Vinegar Residue on Pb2+in Simulated Wastewater
XU Qing-ping,ZONG Wei,MENG Jun
(School of Food and Biological Engineering,Zhengzhou University of
Light Industry,Zhengzhou 450002,China)
Abstract:The adsorption property of vinegar residue on Pb2+in simulated wastewater is studied for
better application of vinegar residue.The effects of temperature,pH,adsorption time,initial Pb2+
concentration,etc.,on the adsorption of Pb2+ are investigated.Results:The vinegar residue has a
high adsorption rate on Pb2+in a wide pH and temperature range.The adsorption rate of vinegar
residue on Pb2+is above 91%in pH 3~10and at the temperature of 25~40℃.The adsorption of
Pb2+ by vinegar residue is fast.The adsorption rate is higher than 94% when the initial Pb2+
concentration is less than 64.84mg/L and the amount of vinegar residue is 33.33g/L.The adsorption
rate is more than 92% when the amount of vinegar residue is 7g/L.Na+and K+have little effect on
the adsorption of Pb2+ by vinegar residue.Ca2+and Mg2+could significantly affect the adsorption of
Pb2+ by vinegar residue when the concentration is more than 500mg/L.Conclusion:The content of
lead in solid-state fermented vinegar is influenced by vinegar residue.Heavy metal polution should be
prevented when vinegar residue is reused.Vinegar residue is a kind of safe natural product for Pb2+
removal.
Key words:lead ion;vinegar residue;adsorption;comprehensive utilization;wastewater treatment
收稿日期:2015-06-14
基金项目:河南省高等学校青年骨干教师资助计划(2010GGJS-112);河南省重点科技攻关项目(112102110125)
作者简介:徐清萍(1975-),女,山西太原人,副教授,博士,研究方向:食品生物技术。
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第40卷 第11期
2015年11月
               中 国 调 味 品
China Condiment 基础研究  
  醋糟是米、麦、高粱等粮食原料固态发酵生产食醋
过程中排放的有机废弃物,具有粗纤维含量高、残酸
高、难分解等特点,作为垃圾采用填埋方式处理,会因
酸水渗漏污染环境;近年主要研究用于饲料、循环利
用、栽培基质、生物肥料、生产沼气[1,2]。目前,我国食
醋年产量达到约300万吨,按每生产1吨食醋,就会产
生0.6~0.8吨醋糟计,年生产排放的醋糟达180~
240万吨左右。
富含半纤维素、纤维素和木质素等的天然吸附材
料,如小麦麸皮[3]和谷壳[4-6]、稻糠[7]可吸附重金属。
铅是生物体非必需的重金属成分,即使在铅浓度低于
10μg/dL(许多国家可接受的标准)时,铅对婴儿的生
长、发育和认知功能都会造成损伤[8,9]。醋糟富含粗
纤维[10],因此具有吸附重金属的潜力。本文研究醋糟
吸附模拟废水中Pb2+,一方面为醋糟用于含重金属废
水的处理提供实验依据,为醋糟的再利用提供一种新
的途径;另一方面为固态发酵醋厂重金属铅的控制提
供参考依据。
1 材料与方法
1.1 实验材料
醋糟,江苏镇江。HCl,HNO3,H2SO4,硝酸铅,
NaOH,市售,优级纯。
1.2 实验仪器
全温振荡培养箱 上海福玛实验设备有限公司;
CP214型精密电子天平 上海奥豪斯仪器有限公司;
DHG-9145A型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技
有限公司;Speedware MWS-3+微波消解仪 德国
Berghof公司;SHP-250型智能生化培养箱 上海鸿
都电子科技有限公司;AA 240FS型火焰原子吸收分
光光度计 美国瓦里安公司;TDL5A型台式离心机
 上海菲恰尔分析仪器有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 模拟重金属Pb2+废水配制
准确称取1g Pb(NO3)2,定容到1000mL配成
Pb2+母液。测定母液浓度为648.4mg/L,其他浓度
用母液进行稀释配制。
1.3.2 吸附试验
向模拟重金属Pb2+废水中投加一定量醋糟,根据
所研究的性能要求,改变试验条件,进行吸附,过滤后
取滤液。采用原子吸收分光光度计测定吸附后Pb2+
浓度,根据吸附前后溶液中Pb2+的浓度,计算醋糟对
Pb2+的吸附量Q(mg/g)和吸附率R(%):Q=V×(C0
-Ce)/M ;R=(C0-Ce)/C0×100%。式中:Q为醋
糟对Pb2+吸附量,mg/g;R为吸附率,%;V为吸附液
的体积,L;C0 为吸附前溶液中Pb2+的初始质量浓度,
mg/L;Ce为吸附后溶液中Pb2+的质量浓度,mg/L;M
为吸附剂用量,g。
2 结果与讨论
2.1 pH 值对醋糟吸附重金属铅离子的影响
初始浓度64.84mg/L Pb2+溶液30mL,加入1g
醋糟,调节pH 3.0~10.0,150r/min室温振荡吸附
2h,静置吸附24h,测定吸附后Pb2+浓度。
5
4
3
2
1
0



( m
g/
g)
吸附量
吸附率
100
90
80
70



( %

2 4 6 8 10
pH
图1 pH对醋糟吸附Pb2+的影响
  大量研究表明:pH 值是影响吸附的主要因素。pH
值一方面会影响金属离子的存在形态,另一方面会影响
生物吸附材料表面官能团的结构及荷电情况。由图1可
知,pH为4时醋糟对Pb2+的吸附率最高,达到96%;
pH 5~7之间,随着pH增加吸附率略有增加,此后随pH
增加吸附率有下降趋势。但总体来说,在pH 3~10之
间,pH对醋糟Pb2+的吸附量及吸附率影响不显著。醋糟
对Pb2+的吸附量在1.77~1.85mg/g之间,变化幅度不
大,对铅的吸附率达到92%以上。pH主要影响铅的形
态,在酸性条件下,铅主要以Pb2+ 存在。碱性条件下
Pb2+可生成氢氧化物沉淀,不利于吸附的进行,对实验结
果产生干扰,尤其是在Pb2+浓度较高的情况下,因此研究
吸附性能时吸附溶液的pH不宜呈碱性。总体来说,醋糟
在pH弱酸条件下,吸附效果较好;采用醋糟降低Pb2+,
在低浓度范围具有适用于较广泛pH的特点。醋糟在弱
酸条件下对Pb2+有较好的吸附性,对控制食醋中的铅含
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量具有一定意义。
2.2 初始Pb2+浓度对醋糟吸附的影响
准确称取样品1g,调节初始Pb2+浓度为6.48~
64.84mg/L,pH值为4,体积为30mL,150r/min室
温振荡吸附2h,再静置吸附24h,测定Pb2+浓度。



( m
g/
g)
吸附量
吸附率



( %

浓度(mg/L)
2.0
1.5
1.0
0.5
0
100
95
90
85
80
0 10 20 30 40 50 60 70
图2 初始Pb2+浓度对醋糟吸附Pb2+的影响
  由图2可知,醋糟对Pb2+在初始浓度较宽的范围
6.48~64.84mg/L都具有良好的吸附作用,吸附率达
到94%以上。随着初始Pb2+浓度的增加,吸附量增
大。初始离子浓度对克服吸附体系中液相和固相之间
存在的质量传递阻力提供很大的驱动力。随着初始溶
液Pb2+浓度的增大,提供的离子传质驱动力增加,从
而使金属离子吸附的阻力降低,同时能够增大离子与
吸附剂表面的吸附空位接触的机率,使离子吸附量增
大。由图2可知,醋糟对低浓度Pb2+具有良好的吸附
性能,吸附率较高。
2.3 吸附剂用量对醋糟吸附重金属铅离子的影响
初始浓度为64.84mg/L的铅离子溶液70mL,
加入醋糟0.5~4.0g,150r/min,室温振荡吸附2h,
再静置吸附24h,测定Pb2+的浓度。



( m
g/
g)
吸附量
吸附率 吸


( %

醋糟用量(g/L)
0 10 20 30 40 50 60 70
100
90
80
70
10
8
6
4
2
0
图3 吸附剂用量对醋糟吸附Pb2+的影响
  由图3可知,醋糟用量7.2g/L时,吸附率已经达
到92.34%,此后随着醋糟用量的增加,吸附率不再明
显提高。从吸附量变化曲线可以看到,随着醋糟用量
的增多,其对Pb2+的吸附量却逐渐减小。醋糟用量为
7.2g/L时,吸附量8.31mg/g,增加为4g时,吸附量
降低至1.06mg/g。醋糟添加量较多时,溶液中离子
在吸附剂表面的吸附较快,从而使离子浓度降低到较
低值,但此时吸附剂表面的吸附位置还没有达到饱和,
所以添加量较多时Pb2+吸附量降低。由图3可知,每
升Pb2+溶液中加入7.2g醋糟时即可达到较好吸附
效果,吸附率达到92%以上。
2.4 温度对醋糟吸附重金属铅离子的影响
称取0.2g醋糟,加入64.84mg/L的Pb2+溶液
30mL,150r/min,在20~40℃条件下振荡吸附2h。



( m
g/
g)
吸附量
吸附率



( %

温度(℃)
20 30 40
100
90
80
70
10
8
6
4
2
0
图4 温度对醋糟吸附Pb2+的影响
  由图4可知,在Pb2+初始浓度为64.84mg/L时,
30℃时醋糟对Pb2+吸附量最大,达到8.72mg/g。此
后随着温度升高,吸附量反倒有所下降。在温度20~
40℃之间,随温度升高,醋糟对Pb2+的吸附率有所增
加,但幅度不大,在此温度范围醋糟对Pb2+的吸附率
均在91%以上。由此可见,采用醋糟进行低浓度
Pb2+废水吸附时,适当升高温度,有利于Pb2+的吸附,
但总体来说醋糟具有适用温度范围广的特点,采用常
温吸附就能达到较好的吸附效果。
2.5 预处理方式对醋糟吸附重金属铅离子的影响
对比分别用4mol/L HCl,HNO3,H2SO4,NaCl预处
理、去离子水水洗、干燥后醋糟的吸附性能。64.84mg/L
的Pb2+ 溶液30mL中加入预处理好的醋糟0.2g,
150r/min,室温振荡吸附2h,再静置吸附24h,分离吸附
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液,与不进行任何处理的醋糟对比,测定不同预处理方式
对其吸附的影响。实验结果见图5。



( m
g/
g)
吸附量
吸附率 吸


( %

100
90
80
70
10
8
6
4
2
0
盐酸 硝酸 硫酸 氯化钠 未处理
图5 预处理方式对醋糟吸附Pb2+的影响
  由图5可知,在Pb2+溶液初始浓度64.84mg/L
时,醋糟对Pb2+具有较高的吸附量及吸附率,吸附量
达到9mg/g,吸附率达到92.64%。与未处理的醋糟
相比,采用 HCl,HNO3,H2SO4 进行预处理,吸附率有
所提高,但提高幅度不大。镇江香醋醋糟主要由发酵
后的稻壳、麸皮等组成,酸处理后可能使其表面的官能
团发生化学变化,使醋糟对Pb2+的吸附能力增大。
2.6 吸附时间对醋糟吸附重金属铅离子的影响
醋糟0.2g,初始浓度为64.84mg/L的铅离子溶
液30mL,室温振荡吸附,定时取样分析测定醋糟对
Pb2+的吸附情况。



( m
g/
g)
吸附量
吸附率 吸


( %

100
90
80
70
10
8
6
4
2
0
0 50 100 150 200 250
时间(min)
图6 吸附时间对醋糟吸附Pb2+的影响
  由图6可知,醋糟对Pb2+的吸附为快速吸附,吸
附30min时吸附量和吸附率都达到较高,吸附量
8.62mg/g,吸附率94%。此后随吸附时间的延长吸
附量、吸附率无明显变化。
2.7 离子强度对吸附的影响
实际工业废水中常含大量的盐,故要将醋糟吸附
剂应用于实际时需考虑离子强度的影响。离子强度的
大小主要取决于溶液中离子的浓度和电荷数。不同离
子强度对吸附的影响见图7。
离子质量浓度(mg/L)
100
80
60
40
20
0
Na
K+
Ca2+
Mg2+
0 200 400 600 800



( %

图7 不同离子对醋糟吸附Pb2+的影响
  由图7可知,Pb2+去除率随共存离子(Na+,K+,
Ca2+,Mg2+)浓度(或离子强度)的增加而降低,这是由
于共存离子会竞争结合吸附位点,同时,离子强度的增
加可能增加了Pb2+的传质阻力。此外,Ca2+,Mg2+比
Na+,K+对Pb2+去除率的影响更大。溶液中Pb2+浓
度为52.5mg/L,Na+,K+对醋糟吸附的影响较小,在
浓度较高时,离子质量浓度为Pb2+的15倍时,醋糟对
铅离子的吸附率在84%以上。Ca2+,Mg2+ 在浓度
250mg/L以下时,影响较小,醋糟对 Pb2+ 吸附率在
80%以上,在浓度较高时,大于500mg/L时,会降低
醋糟对Pb2+的吸附。在高浓度时影响的次序为 Mg2+
>Ca2+> K+>Na+。
3 结论
醋糟适合在弱酸性pH范围吸附Pb2+,但对低浓
度废水中的Pb2+具有适用pH范围广的特点,在pH 3
~10之间Pb2+的去除率达到92%以上。
醋糟对 Pb2+ 在初始浓度较宽的范围6.48~
64.84mg/L都具有良好的吸附作用,30mL体积中加
入1g醋糟(即33.33g/L)室温吸附,吸附率达到
94%以上。
醋糟对低浓度废水中Pb2+吸附效果好,用量少,
每升废水中加入7g醋糟,吸附率达到92%以上。
在采用醋糟对低浓度废水中的Pb2+进行吸附时,
采用常温吸附就能达到较好的吸附效果。
酸处理有利于提高醋糟吸附低浓度废水中Pb2+,
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但影响不是很大。即采用醋糟进行低浓度Pb2+废水
吸附时,不需进行特殊处理即可达到较好的吸附效果。
醋糟对低浓度废水中Pb2+吸附属于快速吸附。
Na+,K+ 对醋糟吸附 Pb2+ 的影响较小,Ca2+,
Mg2+在浓度250mg/L以下时对醋糟吸附Pb2+的影
响较小,在浓度大于500mg/L时,会明显影响醋糟对
Pb2+的吸附。
醋糟是固态发酵醋主要废弃物,通过醋糟对模拟
废水中Pb2+的吸附研究,为醋糟在食醋生产中的作用
及醋糟的再利用研究提供了基础。通过本研究表明,
在食醋生产中,工艺参数(如温度、pH等)的变化影响
醋糟对铅的吸附性能,从而影响到食醋中的铅含量;其
次,在对醋糟进行处理和再利用时需谨慎处理,防止因
不当操作引起醋糟吸附重金属铅等,进而导致醋糟类
衍生产品(如饲料等)的污染;第三,由于醋糟价格低
廉,对铅吸附快,具有适用pH、温度范围广,吸附率高
的优点,因此通过适当处理后可作为废水处理的一种
潜在廉价吸附材料。
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