全 文 ：第 11卷第 6期 过 程 工 程 学 报 Vol.11 No.6
2011 年 12 月 The Chinese Journal of Process Engineering Dec. 2011

收稿日期：20110725，修回日期：20111008
基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：51078128)；湖南省创新平台开放基金资助项目(编号：09k099)；湖南省重点建设学科基金资助项目
作者简介：唐文清(1972)，男，广西桂林市人，博士研究生，副教授，主要从事环境功能材料合成及环境污染治理与防治，E-mail: wqtang518@163.com；
李小明，通讯联系人，E-mail: xmli@hnu.cn.
农业废弃物香芋柄对含 Mn2+废水的吸附
唐文清 1,2， 李小明 1,3， 曾荣英 2， 李春莉 2， 王尹鹏 2
(1. 广西大学环境学院，广西 南宁 530004；2. 衡阳师范学院化学与材料科学系，湖南 衡阳 421008；
3. 湖南大学环境科学与工程学院，湖南 长沙 410082)
摘 要：以废弃香芋柄作为新型生物吸附剂，通过静态吸附实验，研究了 pH、温度、吸附时间、Mn2+初始浓度等因
素对香芋柄吸附 Mn2+的影响，分析了吸附过程的热力学、动力学和等温吸附规律. 结果表明，溶液初始 pH4，香芋
柄用量 6 g/L，30℃下吸附 60 min，溶液中 Mn2+吸附去除率达 90.79%以上，吸附容量高达 18.16 mg/g. 应用 Langmuir
和 Freundlich 模型描述香芋柄对 Mn2+的吸附过程，结果显示 Freundlich 吸附等温线拟合效果更好. 吸附动力学实验数
据符合准二级动力学模型. 计算得到热力学参数G0, H0, S0，表明该吸附过程是自发和吸热的过程.
关键词：吸附；Mn2+；香芋柄；热力学；动力学
中图分类号：O647.32 文献标识码：A 文章编号：1009606X(2011)06099004
1 前 言

随着矿冶、机械、化工、电子、仪表等行业的快速
发展，环境中含锰废水日趋恶化. 锰离子的高毒性和生
物难降解性对水质的污染和人类的生存造成严重威胁.
锰在环境中随其价态降低毒性不断增强，人体摄入过量
锰，严重时可表现为帕金森氏综合征和中毒性精神病，
已引起高度重视[13].
含重金属废水的分离和去除主要采用化学沉淀、萃
取、膜滤、反渗透、离子交换、吸附法等[46]. 其中，化
学沉淀法虽操作简便、成本低廉，但产生的大量污泥造
成严重的二次污染，同时造成重金属随污泥流失. 萃取、
膜滤、离子交换等技术处理成本高，工序复杂，运行和
处理效果很不稳定. 而吸附法是绿色环保的有效处理方
法，具有原材料来源丰富、处理成本低廉、容易再生、
无二次污染等优点，备受国内外学者青睐[7,8].
近来，一些废弃农业材料如花生壳、米糠、玉米芯
等用作生物吸附剂已见报道[9,11]，吸附效果明显. 香芋是
集蔬菜、粮食、药膳于一体的作物，在我国南方大面积
种植，香芋高产量伴随大量的香芋柄产生，目前，除少
部分香芋柄用于腌渍酸菜食品外，绝大部分被丢弃以焚
烧或填埋方式处理，严重污染环境. 香芋柄是一种高纤
维物质，含丰富的羟基等官能团，为其吸附重金属离子
提供了理论依据. 利用香芋柄作为锰离子的吸附剂，不
仅原料来源丰富，降低处理成本，且达到“以废治废”
的目的，实现废弃生物资源再生利用. 本研究尝试利用
废弃的香芋柄处理含锰离子模拟废水，探讨其对锰离子
吸附的各种影响因素，分析吸附热力学和动力学特性，
深入了解其吸附机理，为工业实际应用和废弃生物资源
的利用提供理论参考.
2 实 验
2.1 仪器与试剂
PH330i 型精密酸度计(德国 WTW 公司)，FTIR-700
型红外分光光度计(日本岛津公司)，PE700 原子吸收分
光光度计(美国 PE 公司).
实验所用试剂均为分析纯. 含 1 g/L 锰离子模拟废
水由分析纯硫酸锰加去离子水配制而成.
香芋柄取自衡阳市祁东地区农村，洗净烘干后粉
碎，过 100 目(0.15 mm)筛备用.
2.2 实验方法
移取50 mL 120 mg/L Mn2+模拟废水置入100 mL锥
形瓶中，加入 6 g/L 香芋柄，调节 pH 为 4，置入恒温水
浴振荡器中，控制转速为 130 r/min，温度 30℃，振荡
60 min，静置一段时间后，用原子吸收分光光度计测定
上清液浓度，计算去除率(%)和平衡吸附容量 qe(mg/g)，
计算公式如下：
(C0Ce)/C0100%, (1)
qe(C0Ce)V/m, (2)
式中，C0为Mn2+初始浓度(mg/L)，Ce为吸附平衡后Mn2+
浓度(mg/L)，V 为溶液体积(L)，m 为香芋柄用量(g).
第 6 期 唐文清等：农业废弃物香芋柄对含 Mn2+废水的吸附 991

3 结果与讨论
3.1 香芋柄表征
图 1 为香芋柄样品红外谱，3396 cm1处有 1 个较
强的吸收峰，表明存在羟基(OH)，1031.8 cm1处的吸
收峰表明存在酚基(CO)，1384.8 cm1 处的伸缩振动吸
收峰为酯基(CC)，1622.0 cm1 处的吸收峰则为羰基
(CO)的醛或酮，这些吸收峰对应的官能团十分有利于
对 Mn2+的吸附[12].











图 1 香芋柄样品的红外谱图
Fig.1 FT-IR spectrum of taro stem
3.2 溶液 pH 值对吸附效果的影响
如图 2 所示，pH4 时，香芋柄对 Mn2+的去除率和
吸附容量达最大值，分别为 90.79%和 18.16 mg/g，吸附
效果明显优于核桃壳和壳质素等吸附剂对锰离子的吸
附[13,14]. pH 大于 4 或小于 4 时，去除率和吸附容量均呈
下降趋势，说明 pH 对吸附效果影响很大. 这是因为溶
液 pH 既影响吸附剂的表面特征，又影响锰离子的存在
形态. 溶液 pH24，大量 H+与 Mn2+竞争吸附香芋柄活
性位点，抑制了其与锰离子的结合；另外在该酸性范围，
锰主要以 MnO4形式存在，含少量 MnO42，香芋柄对
MnO4吸附作用不强，从而表现出锰去除率降低. pH4










图 2 初始 pH 值对吸附的影响
Fig.2 Effect of initial pH value on adsorption
时，H+的浓度相对减小，与 Mn2+竞争吸附活性位点的
能力减弱，导致去除率和吸附容量增大. pH47 时，锰
的存在形式从 MnO42逐渐过渡为 MnO2，离子态的锰减
少，导致香芋柄对锰的吸附能力减弱，去除率变小. 在
中性环境中，锰的存在形式基本以黑色的 MnO2和棕黑
色的 MnO(OH)2为主，由于纤维素对 MnO2的螯合能力
远小于对锰离子的螯合能力，很大程度上降低了锰的去
除率. 综合考虑，pH4 最佳.
3.3 Mn2+初始浓度对吸附的影响
控制 pH4，吸附时间为 60 min，改变 Mn2+的初始
浓度，香芋柄对 Mn2+的去除效果如图 3 所示. 从图可看
出，不同温度下香芋柄对 Mn2+的去除率均随 Mn2+浓度
增加呈减小趋势. 当 Mn2+初始浓度达 120 mg/L 时，3
个温度下的去除率仍可达 90%左右. 综合考虑，Mn2+初
始浓度均采用 120 mg/L.











图 3 Mn2+初始浓度对吸附性能的影响
Fig.3 Effect of initial concentration of Mn2+ on adsorption
3.4 时间对吸附的影响
改变吸附时间，分析香芋柄对 Mn2+的吸附效果. 由
图 4 可知，吸附时间小于 40 min，香芋柄对 Mn2+吸附
呈快速上升趋势，60 min 后去除率基本趋于平缓，增幅
很小. 在吸附初级阶段，香芋柄表面的活性吸附位点多、










图 4 反应时间对吸附的影响
Fig.4 Effect of contact time on adsorption
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0
20
40
60
80
100
Tr
an
sm
itt
an
ce
(%
)
Wavenumber (cm1)
3396.4 1622.0 1384.8
1031.8
2 3 4 5 6 7
50
60
70
80
90
100
pH
R
em
ov
al
ra
te
, 
(%
)
10
12
14
16
18
Eq
ui
lib
riu
m
a
ds
or
pt
io
n
ca
pa
ci
ty
,
q e
(m
g/
g)
40 60 80 100 120 140 160
88
90
92
94
96 Temperature (℃)
R
em
ov
al
ra
te
, 
(%
)
Initial concentration of Mn2+, C0 (mg/g)
20
30
40
20 40 60 80 100 120 140 160 180
80
82
84
86
88
90
92
Temperature (℃)
R
em
ov
al
ra
te
, 
(%
)
Time (min)
20
30
40
992 过 程 工 程 学 报 第 11 卷

溶液中 Mn2+浓度大，便于吸附，使去除率明显增加. 随
吸附时间增加，吸附剂表面的活性位点数、溶液中 Mn2+
离子数均减少，同时解吸附速率增加，使去除率增加甚
小. 综合考虑，60 min 为最佳吸附时间.
3.5 吸附等温线
吸附等温线反映平衡吸附量与溶液浓度之间的关
系. 本工作采用 Langmuir 和 Freundlich 两个等温式对所
得实验数据进行拟合.
Langmuir 吸附等温式为：
qe1qm1+(KLqm)1Ce1, (3)
Freundlich 吸附等温式为：
lgqelgKf+n1lgCe, (4)
其中，qm 为饱和吸附容量(mg/g)，KL 为 Langmuir 吸附
系数，Kf 为 Freundlich 吸附系数，n 为常数.
通过非线性拟合得到不同温度下的等温式参数及
相关系数，如表 1 所示. 由表可见，3040℃单层饱和
吸附量 qm 随温度升高而降低，说明温度升高有利于解
吸过程进行；Freundlich 等温式比 Langmuir 等温式更符
合该吸附行为. Kf 值大，n101，说明香芋柄对 Mn2+
的吸附过程属优惠吸附.
表 1 Langmuir 和 Freundlich 等温吸附参数
Table 1 Adsorption parameters of Langmuir and Freundlich models
Langmuir model Freundlich model Temperature (℃)
qm (mg/g) KL Fitting equation R2 n1 Kf Fitting equation R2
20 26.18 0.14 y=0.0383x+0.2825 0.831 3 0.49 4.64 y=0.4882x+0.6665 0.940 3
30 32.79 0.11 y=0.0305x+0.2780 0.837 8 0.52 4.95 y=0.5173x+0.6947 0.955 9
40 30.58 0.14 y=0.0337x+0.2316 0.959 5 0.50 5.29 y=0.5001x+0.7234 0.996 2

3.6 吸附热力学
为进一步认识香芋柄对 Mn2+的吸附本质，需要计
算吸附过程热力学参数吉布斯自由能(G)、焓变(H)
和熵变(S)，方程如下：
GHTS, (5)
lnKH/(RT)+S/R, (6)
式中，R 为气体常数[J/(molK)]，T 为绝对温度(K)，K
为热力学常数. H和S可根据Vant Hoff点图进行线性
拟合得到的斜率和截距进行计算(见图 5)，OriginPro7.5
线性拟合方程为 y4.45551208.8x，相关系数R0.989，
相应的热力学参数见表 2. 吉布斯自由能是判断吸附过
程能否自发进行的基本条件，香芋柄对 Mn2+的吸附自
由能G0，说明香芋柄吸附 Mn2+可自发进行. 吸附热
H0 说明该吸附行为是吸热过程. S0 说明该吸附反
应是熵值增加过程.
表 2 不同温度下的吸附热力学常数
Table 2 Thermodynamic parameters at different temperatures
Temperature (K) G (kJ/mol) S [J/(molK)] H (kJ/mol)
293 0.80
303 1.16
308 1.35
313 1.54
37.03 10.05











图 5 lnK 与 T 1 的关系曲线
Fig.5 Relationship of lnK vs. T 1
3.7 吸附动力学
采用准一级动力学模型[式(7)]和准二级动力学模
型[式(8)]拟合香芋柄对 Mn2+的吸附动力学，对 3 个温度
下的吸附实验数据分别进行线性回归，结果如表 3 所示.
lg(qeqt)lgqek1t/2.303, (7)
t/qt(k2qe2)1+t/qe, (8)
式中，qt 为 t 时刻的吸附容量 (mg/g)，k1(h1)和 k2
[g/(mgmin)]分别为准一级、准二级速率常数.
表 3 不同温度下香芋柄吸附 Mn2+的动力学速率常数
Table 3 Kinetic parameters of Mn2+ adsorption onto taro stem at different temperatures
First order constant Second order constant Temperature (K)
k1 (min1) Fitting equation R2 qe (mg/g) k2 [g/(mgmin)] Fitting equation R2
293 0.036 6 y0.0159x+0.9120 0.767 0 16.39 0.072 7 y0.0610x+0.0512 0.998 8
303 0.004 6 y0.0020x0.3830 0.060 3 18.42 0.116 1 y0.0543x+0.0254 0.995 3
313 0.010 6 y0.0046x0.4137 0.067 9 17.36 0.304 4 y0.0576x+0.0109 0.999 8
0.0032 0.0033 0.0034
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
ln
K
T 1 (K1)
第 6 期 唐文清等：农业废弃物香芋柄对含 Mn2+废水的吸附 993

由表 3 可知，303 K 时，平衡时的最大吸附容量
qe18.42 mg/g，与实验值 18.16 mg/g 较为接近，说明香
芋柄对 Mn2+的吸附动力学较符合准二级动力学模型.
4 结 论
(1)采用废弃农产品香芋柄作为吸附含锰离子废水
的吸附剂，不仅无环境污染，且可实现以废治废，对环
境、经济和社会发展均具有重要的现实意义.
(2)在 pH4、温度 30℃、吸附时间 60 min 的条件
下，6 g/L 香芋柄对 50 mL 120 mg/L 锰离子的去除率达
90.79%，吸附容量高达 18.16 mg/g，吸附效果优于同类
生物吸附剂，实际应用中可在一定程度上节约原材料.
(3)香芋柄吸附 Mn2+ 的等温吸附过程较符合
Freundlich 方程；准二级动力学模型相关系数(0.99)高于
准一级动力学模型，较符合该吸附过程；吸附热力学参
数结果表明，吸附是吸热、熵增的自发过程.
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(1. School of Environment, Guangxi University, Nanning, Guangxi 530004, China;
2. Department of Chemistry and Materials Science, Hengyang Normal University, Hengyang, Hunan 421008, China;
3. College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China)
Abstract: With waste taro stem as novel biosorbent, the effects of pH value, temperature, adsorption time and Mn2+ initial concentration
on the biosorption capacity of taro stem for Mn2+ were studied by static adsorption experiment. The unit mass of adsorption process was
analyzed in thermodynamics and kinetics and adsorption isotherm. The results showed that removal rate of Mn2+ in wastewater was more
then 90.79% and adsorption capacity up to 18.16 mg/g when taro stem usage was 6 mg/L, adsorption time 60 min, initial pH4 of
wastewater and temperature 30℃. Langmuir and Freundlich adsorption models were applied to describe the isotherms and isotherm
parameters. The Freundlich isotherm was found to be the better theoretical correlation of experimental data. The kinetic experimental
data were properly correlated with the pseudo-second-order kinetic model. Thermodynamic parameters of G, H and S were
calculated. Their values showed that the overall adsorption process was endothermic and spontaneous.
Key words: adsorption; Mn2+; taro stem; thermodynamics; kinetics