全 文 ：山东农业大学学报(自然科学版),2015,46(4):576-580 VOL.46 NO.4 2015
Journal of ShandongAgricultural University (Natural Science Edition ) doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2015.04.020
辣木籽对水中 Cr(Ⅵ)的吸附机理及吸附动力学研究
伍 斌 1,2,邹 一 1
1. 攀枝花学院资源与环境工程学院, 四川 攀枝花 617000
2. 干热河谷特色生物资源研发四川省高校重点实验室, 四川 攀枝花 617000
摘 要: 本文研究了辣木籽对 Cr(Ⅵ)液的吸附机理及吸附动力学。结果表明：辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)是一个以化学吸附为
主的单分子层吸附过程，Langmuir等温线方程对室温下辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)拟合线性关系良好，相关系数 R2=0.9958。
FTIR的结果表明位于 2914 cm-1、2854 cm-1的-CH2-官能团和 1754 cm-1处的 C=O官能团是辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)的主要
活性基团，这些活性基团与 Cr(Ⅵ)发生络合反应而将其去除。二级动力学方程对室温下辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)拟合结果最
好，相关系数 R2为 0.9901；内扩散方程也能较好地描述吸附过程，相关系数 R2为 0.9417，说明吸附过程中内扩散是
主要控制步骤。
关键词: 辣木籽; 吸附机理; 吸附动力学
中图法分类号: X5 文献标识码:A 文章编号: 1000-2324(2015)04-0576-05
Study on Adsorption Mechanism and Kinetics of Moringa oleifera
Lam. Seeds to Cr(Ⅵ) in Water
WU Bin1,2, ZOU Yi1
1. College of Resources and Environmental Engineering, Panzhihua University, Panzhihua 617000, China
2. Key Laboratory of Dry-hot Valley Characteristic Bio-Resources Development, Sichuan University, Panzhihua 617000, China
Abstract: Biological adsorption mechanism and kinetics of Cr (VI) from aqueous solution onto Moringa oleifera seeds was
studied. Experimental results showed that: Cr (VI) adsorption on Moringa oleifera seeds was a chemical and monomolecular
layer adsorption process; adsorption isotherm data fitted Langmuir isotherm equation under room temperature and the
correlation coefficient R2 was 0.9958. FTIR analytic results indicated that -CH2- groups located at 2914 cm-1, 2854 cm-1 and
C=O group located at 1754 cm-1 were the main active groups to adsorb Cr (VI) on Moringa oleifera seeds, and complexing
reaction occur between these active groups and Cr (Ⅵ) while Cr (Ⅵ) ion removed from the water; Adsorption kinetics data
fitted two order kinetics equation the best , and the correlation coefficient R2 was 0.9901; The diffusion equation whose
corresponding correlation coefficient R2 was 0.9417 could describe the adsorption process also, and it illustrated internal
diffusion was the main control step of the adsorption process.
Keywords: Moringa oleifera Lam.seeds; adsorption mechanism; adsorption kinetics
随着冶金、制革和电镀等工业的发展，含铬废水对水资源的污染日益严重，特别是 Cr(Ⅵ)废水，
由于其强毒性、致癌致突变和细胞遗传毒性，对水体、农业以及人体健康影响甚大，已被公认为是
危害环境最严重的重金属废水之一[1-4]。生物吸附法由于其原料丰富、成本低，在低浓度下处理效果
好，吸附容量大，操作简便等特点，近年来在含 Cr(Ⅵ)废水的处理中开展了大量研究，诸如桑枝粉、
甘蔗渣、花生壳等[5-10]都有被用作 Cr(Ⅵ)的生物吸附剂，并都获得了较好的实验室处理效果。辣木是
一种热带速生树种，目前在金沙江干热河谷地区已大量种植。国外早有报导辣木籽含丰富的小分子
蛋白，是一种良好的生物絮凝剂，一粒辣木种子可以处理 2 kg污水；在重金属的处理方面，也表现
出良好的潜力和应用前景: Haq Nawaz Bhatti[11]用辣木籽去除水中 Zn(II)，吸附率为 74%，经硫酸改
性后效率可提高至 90%；Parul Sharma[12]用辣木籽生物吸附废水中的 Cd(II), Cr(III)和 Ni(II)，辣木籽
对三种金属离子的选择性吸附顺序为 Cd(II)>Cr(III)>Ni(II),且三种离子的去除率都在 90%以上；D.
Harikishore Kumar Reddy[13]用辣木籽吸附Pb(II)，Vanessa N和Cupta V K[14,15]用辣木籽分别吸附Cr(III)
和 Cr(Ⅵ)，都取得了良好的吸附效果；国内暂还没有用辣木籽去除 Cr(Ⅵ)的报导。本文进行了辣木
籽对 Cr(Ⅵ)的吸附机理及吸附动力学研究，希望为辣木籽的实际工业应用提供基础理论资料。
1 材料与方法
收稿日期: 2013-07-20 修回日期: 2013-08-02
基金项目: 干热河谷特色生物资源开发四川省高校重点实验室开放基金项目(GR-2013-C-005)
作者简介: 伍 斌(1981-),女,湖南衡阳人,硕士研究生,讲师. E-mail:823237745@qq.com
第 4期 伍 斌等:辣木籽对水中 Cr(VI)的吸附机理及吸附动力学研究 ·577·
1.1 试剂和仪器
主要试剂：二苯碳酰二肼，重铬酸钾，丙酮，硫酸，磷酸和氢氧化钠，以上试剂均为分析纯。
主要仪器：UV2300紫外可见分光光度计（上海天美仪器设备有限公司），K5021030傅里叶红
外光谱仪（北京科思佳仪器仪表），202-2A电热恒温干燥箱（北京中兴伟业仪器有限公司），PHS-3C
数显酸度计（杭州奥立龙仪器有限公司），HZT-2双层台式振荡器（哈尔滨市东联电子技术开发有
限公司）。
实验所用辣木籽采自攀枝花干热河谷生物工程有限公司枣子坪种植基地。成熟辣木籽采摘后，
去掉表层硬壳，破碎筛分过 40目筛，40℃下烘 6 h备用。经以上处理后辣木籽呈乳白色，颗粒与颗
粒间有黏连，能闻到明显清新油香。
1.2 辣木籽吸附性能评价
本实验进行的是静态吸附试验。称取适量吸附剂加入到装有已知浓度的重铬酸钾模拟含 Cr(Ⅵ)
废水中，反应瓶至于台式振荡器进行吸附反应，反应结束后于离心机上进行固液分离，取上清液进
行分析。Cr(Ⅵ)采用二苯碳酰二肼分光光度法（GB7467-87）测定，已反应前后 Cr(Ⅵ)的去除率来评
价改性辣木籽吸附性能，去除率的计算公式为：
%100
0
0 
C
CC
式中：——吸附去除率（%）；C0、C ——分别为吸附前、后的 Cr(Ⅵ) 离子质量浓度(mg/L)
2 结果与分析
2.1 吸附机理
2.1.1 温度对吸附效率的影响 考察了室温（25℃）、40℃、60℃和 80℃下，辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)的效
率变化情况，每组实验投加 1 g 辣木籽到 100 mL 50 mg/L Cr(Ⅵ)液中（50 mg/L Cr(Ⅵ)液的原始
pH=4.70），控制台式振荡器转速 120 r/min，实验结果图 1所示。由图可见，随着温度的升高辣木籽
的吸附效率增加明显，且可看出，温度越高越快达到吸附平衡。25℃下 90 min达平衡，此时 Cr(Ⅵ)
的去除率 80%；而 40℃、60℃和 80℃下平衡时间大致都在 60 min左右，平衡时 Cr(Ⅵ)的去除率分
别为 86.5%、92.2%和 98.5%。温度升高吸附效率增大从理论上解释有两方面的原因：一是由于化学
吸附的原因，使得化学反应速率随温度升高加快从而提高吸附速率；另一方面由于温度升高，辣木
籽本身发生反应使吸附活性位增多而提高效率。为此做了一组对照试验：将辣木籽分别在 25℃、
40℃、60℃和 80℃水浴中搅拌浸泡 90 min，过滤，60℃烘干，然后在与温度影响实验相同的实验
条件下进行 Cr(Ⅵ)的吸附试验，结果发现 4组的吸附效率没有变化，都在 80%左右，由此推断在 80℃
以内温度下的热处理对辣木籽本身不会产生影响，后面的红外光谱分析结果也充分证实。一般的吸
附过程都同时伴有物理吸附和化学吸附，只是谁占主导。物理吸附一般是放热过程，随温度升高而
效率下降。通过以上的分析，辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)主要是化学吸附过程。
图 1 温度对辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)的影响 图 2 pH值对辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)的影响
Fig.1 Influence of temperature on adsorption of Cr(Ⅵ) Fig.2 Influence of pH on adsorption of Cr(Ⅵ)
ontoMoringa oleifera seeds ontoMoringa oleifera seeds
2.1.2 pH值对吸附效率的影响 图 2所示为辣木籽投加量 1 g、室温、反应时间 1 h、不同 pH值下辣
木籽对 100 mL 50 mg/LCr(Ⅵ)液的吸附情况。由图可见，吸附效率随着 pH值得减少明显增加，当 pH=6
·578· 山东农业大学学报(自然科学版) 第 46卷
时，Cr(Ⅵ)去除率只有 70%，当 pH=1时去除率增加到 99%。通常溶液中的 Cr(VI)以 HCrO4-、CrO42-
和 Cr2O72-三种形态存在，各种形态的比例取决于溶液的 pH值（V.K.Cupta，2001）：当 pH<2时，以
Cr2O72-形态为主；pH=3～4时，主要以 HCrO4-和 Cr2O72-形态存在；pH=5～6时，以 HCrO4-和 CrO42-
两种种形态存在；pH>7时，以 CrO42-为主。在低 pH范围，HCrO4-、CrO42-和 Cr2O72-主要以静电方
式吸附到质子化的吸附位点上，pH越低，吸附剂表面氢离子越多，吸附剂对 Cr(VI)吸引力越大。可
见，辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)的活性位主要为酸活性基团。
2.1.3 红外光谱分析 对经过预处理及吸附 Cr(Ⅵ)后的辣木籽，利用傅里叶红外光谱进行分析，以进
一步探究辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)的机理。将辣木籽分别进行了 80℃水浴热处理、硫酸酸处理和氢氧化钠
碱处理，分别取经过预处理和未经处理的辣木籽各 1 g投加到 100 mL 50 mg/LCr(Ⅵ)液中，120 r/min
反应 1 h，实验结果如下：80℃水浴热处理辣木籽的吸附效率没有发生变化，与未经处理的辣木籽
一样；酸处理后的辣木籽对 Cr(Ⅵ)的吸附效率大大提升；碱处理反而使辣木籽的吸附性能下降。从
FTIR图中可见，80℃水浴热处理的辣木籽谱图（1）与辣木籽原样一致，没有发生吸收峰的变化，
表明辣木籽在 80℃水浴条件下不会发生化学反应。经酸处理后的辣木籽（2）与原样的谱图也基本
一致，位于 2914 cm-1、2854 cm-1的-CH2-官能团和 1754 cm-1处的 C=O官能团吸收峰强度有所增加；
而经氢氧化钠处理后情况恰恰相反，以上三处特征吸收峰基本消失。可判断-CH2-和 C=O是辣木籽
吸附 Cr(Ⅵ)的主要活性基团。从吸附 Cr(Ⅵ)后的辣木籽谱图上（5）可进一步印证。吸附 Cr(Ⅵ)后的
辣木籽 2914 cm-1、2854 cm-1吸收峰强度大大增加，而且原本这一区域比较弱的峰都有显露，1620 cm-1
处的芳香基和 1360 cm-1附近的 C-O官能团强度大大提高。整个谱图相比辣木籽原样没有明显吸收峰
的消失，判定整个吸附过程发生的是 Cr(Ⅵ)与相应官能团发生络合反应。
图 3 预处理对辣木籽吸附性能的影响
Fig.3 Influence of pretreatment on adsorption of Cr(Ⅵ)
ontoMoringa oleifera seeds
图 4 FTIR谱图
Fig.4 Chart of FTIR
1: 80 ℃水浴处理辣木籽; 2: 2 mol/L硫酸处理辣木籽; 3: 2 mol/L氢氧化钠处理辣木籽; 4: 辣木籽原样; 5: 吸附 Cr(Ⅵ)辣木籽
1: Moringa oleifera seeds were treated in water at 80 ℃; 2: Moringa oleifera seeds were treated with 2 mol/L H2SO4; 3: Moringa oleifera seeds were
treated with 2 mol/L NaOH; 4: Moringa oleifera seeds did not be treated; 5: Moringa oleifera seeds adaption to Cr(VI)
2.1.4 吸附等温线方程 由图 1知，室温下辣木籽对 Cr(Ⅵ)的吸附效率约 81%，温度升高到 80℃，效
率能增加到 98%。工业应用中废水温度升高 55℃带来的能耗成本是非常之高，而且于实际中也是很
难施行的。因此深度探讨室温下辣木籽对 Cr(Ⅵ)的吸附行为才更有现实意义。以下吸附等温线方程
第 4期 伍 斌等:辣木籽对水中 Cr(VI)的吸附机理及吸附动力学研究 ·579·
和吸附动力学实验均考察的室温下辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)的情况。图 5显示，Langmuir等温线方程和
Freundlich等温线方程都能较好地描述辣木籽的吸附过程，Langmuir等温线方程拟合线性关系更好，
相关系数 R2=0.9958，表明 Cr(Ⅵ)在辣木籽上发生的是单分子层吸附。
(a) Langmuir 等温线方程 (b) Freundlich等温线方程
图 5 吸附等温线拟合结果
Fig.5 Fitting results of adsorption isotherm
2.2 辣木籽吸附 Cr(VI)的动力学方程
吸附过程的动力学研究主要是用来描述吸附剂吸附溶质的速率，吸附速率控制了在固液界面上
吸附质的滞留时间。分别用拟一级动力学方程、拟二级动力学方程和内扩散方程对常温下实验数据
进行拟合，探讨辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)的吸附特点。以上三动力学方程的表达式如下：
拟一级动力学方程 ln(qe-qt)=lnqe-k1t (1)
拟二级动力学方程
eet q
t
q
 22 qk
1t (2)
内扩散方程 qt=kpt0.5 (3)
式中：qt——Cr(Ⅵ)t时刻的吸附量 mg/g；
qe——Cr(Ⅵ)的平衡吸附量 mg/g；
k1——拟一级动力学吸附速率常数 min-1；
k2——拟二级动力学吸附速率常数 mg/g·min-1；
kp——颗粒内扩散速率常数 mg.(g.min)-1；
方程拟合结果如图 6和表 1所示。
图 6动力学方程的拟合曲线
Fig.6 Fitting curve of kinetic equation
表 1动力学方程拟合结果
Table 1 Fitting results of kinetic equation
吸附动力学
Adsorption kinetics
方程
Equation
方程参数
Equation parameters
拟一级速率 y = -0.0566x + 2.2314 k1=0.0566 R2=0.7946
拟二级速率 y = 0.1789x + 7.2268 k2=0.1789 R2=0.9901
内扩散方程 y = 0.3903x + 0.1611 kp=0.3903 R2=0.9417
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由图表可见，室温下辣木籽对 Cr(VI)的吸附以拟二级动力学方程的拟合结果最好，相关系数 R2
为 0.9901；内扩散方程也能较好地描述吸附过程，相关系数 R2为 0.9417，说明吸附过程中内扩散是
主要控制步骤；拟一级动力学拟合相关性 R2只有 0.7946，数据偏离拟合曲线较大，不能用来描述辣
木籽吸附 Cr(VI)过程。
3 结 论
（1）在室温到 80℃范围，辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)随着反应温度的升高吸附效率增加明显，且温度
越高越快达到反应平衡。分析表明在 80℃水浴中，辣木籽本身不会发生化学反应，辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)
是一个以化学吸附占主导的吸附过程。
（2）辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)的活性位为酸活性基团。pH越低，吸附效率越高。该结果与 FTIR的结
果相印证。酸处理可以大大提高辣木籽的吸附性能，而碱处理由于会与这些酸活性基团发生反应，
从而使得辣木籽吸附 Cr(Ⅵ)的能力几近丧失。通过具体分析各种预处理后及吸附 Cr(Ⅵ)后辣木籽的
谱图，得出主要活性位是-CH2-和 C=O官能团。
（3）Langmuir等温线方程和 Freundlich等温线方程都能较好地描述室温下辣木籽的吸附过程；
Langmuir等温线方程拟合线性关系更好，相关系数 R2=0.9958，Cr(Ⅵ)在辣木籽上发生的是单分子层
吸附。
（4）室温下辣木籽对 Cr(VI)的吸附以拟二级动力学方程的拟合结果最好，相关系数 R2为 0.9901；
内扩散方程也能较好地描述吸附过程，相关系数 R2为 0.9417，说明吸附过程中内扩散是主要控制步
骤；拟一级动力学拟合相关性 R2只有 0.7946，数据偏离拟合曲线较大，不能用来描述辣木籽吸附
Cr(VI)过程。
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