全 文 ：131※工艺技术 食品科学 2012, Vol. 33, No. 10
莴笋叶渣吸附Cu2＋研究
陈 莉
(运城学院生命科学系，山西 运城 044000)
摘 要：采用二次回归正交旋转组合设计方法对莴笋叶渣吸附Cu2+条件进行优化，建立加入量(X1)、质量浓度(X2)、
时间(X3)、pH值(X4)、温度(X5)5个因素与吸附率(Y)的回归模型为：Y＝ 85.45862＋ 11.80098X1－ 6.85546X2＋
0.24918X3＋ 2.14203X4＋ 1.12124X5－ 4.75315X12－ 2.40953X22－ 2.23141X32－ 1.49228X42－ 3.40533X52＋ 3.84570X1X2＋
0.61717X1X3－3.15888X1X4－0.26948X1X5－ 0.29760X2X3＋0.77899X2X4－0.01867X2X5－0.23965X3X4－1.45840X3X5＋
0.94533X4X5。各因素对莴笋叶渣吸附Cu2＋影响顺序为：加入量＞质量浓度＞ pH值＞温度＞时间，在加入量 0.9g、
Cu2+质量浓度 30mg/L、时间 5h、pH3、温度 40℃条件下，莴笋叶渣对 Cu 2＋吸附率最高可达 98.40%。验证值为
97.96%，与理论值基本一致。对于 60mg/L Pb2+溶液，莴笋叶渣为吸附剂时的最佳固液比为 12g/L；莴笋叶渣对
中低质量浓度 Pb 2＋溶液的吸附效果好于活性炭。
关键词：莴笋叶渣；铜离子；吸附；优化；二次回归正交旋转组合设计；固液比
Bio-adsorption of Copper Ions by Residue of Asparagus Lettuce Leaf
CHEN Li
(Department of Life Science, Yuncheng University, Yuncheng 044000, China)
Abstract ：Copper ion adsorption conditions by asparagus lettuce leaf residue were optimized through quadratic regression
orthogonal design. A quadratic regression orthogonal model was established to express relationship between adsorption rate (Y)
and five factors including addition amount (X1), concentration (X2), time (X3), pH (X4), and temperature (X5). The relationship was
shown in the following equation: Y ＝85.45862＋11.80098X1－6.85546X2＋0.24918X3＋2.14203X4＋1.12124X5－
4.75315X12－ 2.40953X22－2.23141X32－ 1.49228X42－3.40533X52＋ 3.84570X1X2＋0.61717X1X3－ 3.15888X1X4－
0.26948X1X5－0.29760X2X3＋0.77899X2X4－0.01867X2X5－0.23965X3X4－1.45840X3X5＋0.94533X4X5. The factor order
on Cu2＋ adsorption rate from strong to weak was addition amount, concentration, pH, temperature and time. According to this
model, conditions under 0.9 g addition amount of asparagus lettuce leaf residue in 30 mg/L for 5 h using pH 3 and 40 ℃ revealed
the highest adsorption, which was 98.40%. The experiment result was consistent with the theoretical result of 97.96%. The best
solid to liquid radio of Cu2＋ adsorption by asparagus lettuce leaf residue is 12 g/L. In the low concentration of Cu2＋ solution,
the adsorption of asparagus lettuce leaf residue is better than activated carbon.
Key words：asparagus lettuce leaf residue；Cu2＋；adsorption；optimization；quadratic regression orthogonal design；
solid to liquid radio
中图分类号：TQ028.15；TQ340.9 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2012)10-0131-05
收稿日期：2010-3-15
作者简介：陈莉(1980—)，女，讲师，硕士，研究方向为生物技术。E-mail：clsshine@yahoo.com.cn
重金属污染是一个极其重要的环境保护问题，尤其
是水体重金属污染。水体中重金属通过累积和生物富集
作用，对水体及水生生物产生不良影响[ 1 -4 ]。重金属在
水生生物体内累积到一定数量，会出现生长发育停滞或受
阻，甚至会导致个体死亡及整个水生生态系统崩溃[5- 6]。
因此，各国广泛开展修复治理水体重金属污染的研究，
传统方法如化学沉淀法、氧化还原法、离子交换法、
电解法、膜过滤法，通常价格昂贵，并且由于有害副
产品的存在，使其具有潜在的危害性[7 -9 ]。二次正交旋
转组合设计与传统的单因素试验和正交试验法相比，具
有处理单元数少，数据含有信息量大，统计分析性质
好，回归方程精度高等优点。基本保留了回归正交设
计试验次数少、计算简便以及部分消除回归系数之间的
相关性等特点，能根据测值直接寻求最优区域，可从
2012, Vol. 33, No. 10 食品科学 ※工艺技术132
多角度对模型进行模拟分析[10]。
本实验拟采用静置吸附法，以莴笋叶渣为生物吸附
剂，应用二次回归正交旋转组合设计对 Cu2+吸附率进行
系统研究，以优化 Cu 2+吸附条件，为莴笋资源的应用
提供理论基础，为开拓绿色环保工艺提供参数。该项
研究对废弃物资源化、再利用来治废，实现经济循环
发展和保护环境有积极意义，具有广阔应用前景。
1 材料与方法
1.1 材料、试剂与仪器
新鲜莴笋 市购；蒸馏水 自制；硫酸铜、氢氧
化钠、盐酸均为 A R 级。
ASF-3000型原子吸收光谱仪 北京科创海光仪器有
限公司。
1.2 方法
1.2.1 莴笋叶渣的制取
在前人[11-12]研究的基础上，设置的莴笋叶渣制备工
艺流程为：新鲜莴笋叶→取样→切片→预煮→榨汁取渣
→过滤→漂洗至中性→碱液浸泡→漂洗至中性→酸液浸
泡→漂洗至中性→干燥→粉碎→过筛，获得 60目的莴笋
叶渣。
1.2.2 标准曲线绘制
分别精密配制硫酸铜标准溶液 10、20、30、40、
50mg/L，用原子吸收分光光度仪作 3次平行试验，测其
吸光度，绘制标准曲线。线性方程为 y ＝ 0. 0147x ＋
0.1118，R2＝ 0.9993。表明该标准溶液在 5～50mg/L范
围内呈良好的线性关系。
1.2.3 五因素二次回归正交旋转组合设计
在已有单因素试验结果[13-15]的基础上，对影响Cu2+
吸附的关键因素进行优化，以期求出多因素系统中各影
响因素的最佳组合条件。
采用五因素二次回归正交旋转组合的试验设计方
法，5 个关键因素分别为：纤维素加入量、硫酸铜溶
液质量浓度、时间、p H 值、温度。选择 5 因素的上
下限值(Z1j，Z2 j)。计算各影响因素的零水平(Z0 j)和变化
间隔Δj并根据公式：Z0j＝(Z1j＋ Z2j)/2，Δj＝(Z1j－ Z2j)/γ
编制因素水平编码表，如表 1 所示。
水平
X1 加入 X2质量浓度 / X3时
X4 pH
X5温
量 /g (mg/L) 间 /h 度 /℃
2 0.9 50 6 7 70
1 0.7 40 5 6 60
0 0.5 30 4 5 50
－ 1 0.3 20 3 4 40
－ 2 0.1 10 2 3 30
表 1 因素水平编码表
Table 1 Code table of factors and levels for orthogonal experimental design
1.2.4 莴笋叶渣对重金属离子吸附率的测定

(C0—C1)×V
吸附量(q)＝————————

m

(C0—C1)×100
吸附率/%＝—————————

C0
式中：C 0 为吸附前重金属离子的初始浓度质量浓
度/ (mg /L)；C 1 为吸附后重金属离子的平衡质量浓度 /
(mg/L)；V为重金属离子溶液体积 /L；m为加入莴笋叶
渣质量 /g [1 6]。
1.2.5 数据处理
采用 Excel、SAS和DPS软件对数据进行分析、处
理以及图形的制作。
1.2.6 固液比对Cu2＋吸附效果的影响
吸附剂投入量与金属溶液体积的比值称作固液比[17]。
固液比实验条件：配制 7份 100mL、30mg/L Cu2＋溶液，
分别加入 60 目莴笋叶渣 0 . 2、0 . 4、0 . 8、1 . 2、1 . 6、
2.0g和 3.0g，室温静置吸附 4h，之后取上清液离心，
过滤，用原子吸收光谱仪测定金属离子质量浓度，并
计算吸附率。
1.2.7 莴笋叶渣与活性碳吸附能力的对比实验
配制 3种不同初始质量浓度的 Cu 2+溶液(10、30、
50mg/L)，每种质量浓度的溶液配 2份，每份 50mL，溶
液 pH值为自然状态，加入的莴笋叶渣(60目)与活性炭
均为 0 .5g，室温静置吸附 4h，之后取上清液，离心，
过滤，用原子吸收光谱仪测定金属离子质量浓度，得
到吸附率，对莴笋叶渣和活性炭在 3种不同初始质量浓
度的 Cu2 ＋溶液中的吸附能力做对比[18]。
2 结果与分析
2.1 回归方程的建立
表 2 二次回归正交旋转组合试验设计及结果
Table 2 Quadratic orthogonal rotation combination design and
results of the trials
试验号 X1 加入量 X2质量浓度 X3时间 X4 pH X5温度 Y吸附率 /%
1 1 1 1 1 1 79.49438
2 1 1 1 － 1 － 1 85.39326
3 1 1 － 1 1 － 1 81.03933
4 1 1 － 1 － 1 1 80.33708
5 1 － 1 1 1 － 1 88.30549
6 1 － 1 1 － 1 1 85.91885
7 1 － 1 － 1 1 1 86.87351
8 1 － 1 － 1 － 1 － 1 89.02148
9 － 1 1 1 1 － 1 55.61798
10 － 1 1 1 － 1 1 38.48315
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试验号 X1 加入量 X2质量浓度 X3时间 X4 pH X5温度 Y吸附率 /%
11 － 1 1 － 1 1 1 58.84831
12 － 1 1 － 1 － 1 － 1 44.24157
13 － 1 － 1 1 1 1 73.26969
14 － 1 － 1 1 － 1 － 1 68.49642
15 － 1 － 1 － 1 1 － 1 74.94033
16 － 1 － 1 － 1 － 1 1 65.87112
17 － 2 0 0 0 0 42.6087
18 2 0 0 0 0 85.91304
19 0 － 2 0 0 0 87.45763
20 0 2 0 0 0 59.81308
21 0 0 － 2 0 0 71.30435
22 0 0 2 0 0 77.3913
23 0 0 0 － 2 0 74.6087
24 0 0 0 2 0 80
25 0 0 0 0 － 2 58.43478
26 0 0 0 0 2 80.86957
27 0 0 0 0 0 88.17391
28 0 0 0 0 0 89.3913
29 0 0 0 0 0 81.04348
30 0 0 0 0 0 78.78261
31 0 0 0 0 0 82.08696
32 0 0 0 0 0 87.13043
33 0 0 0 0 0 85.73913
34 0 0 0 0 0 88.17391
35 0 0 0 0 0 88
36 0 0 0 0 0 90.43478
续表 2
试验结果见表 2，采用DPS数据处理系统采用二次
回归旋转组合试验统计方法进行拟合，建立加入量
(X 1)、质量浓度(X 2)、时间(X 3)、pH 值(X 4)、温度(X 5)
对吸附率(Y)的数学模型回归方程为：
Y＝85.45862＋11.80098X1－6.85546X2＋0.24918X3＋
2.14203X4＋ 1.12124X5－ 4.75315X12－ 2.40953X22－
2.23141X32－1.49228X42－3.40533X52＋3.84570X1X2＋
0.61717X1X3－3.15888X1X4－0.26948X1X5－0.29760X2X3＋
0.77899X2X4－0.01867X2X5－0.23965X3X4－1.45840X3X5＋
0.94533X4X5
2.2 二次回归模型的显著性检验及重建二次回归模型
为检验回归方程的有效性，对回归方程进行失拟性检
验。由表 3 可知，失拟不显著，即回归方程对试验点拟
合较好。回归方程的显著性检验F2＝ 10.150＞F0.01(20,15)＝
3.37，说明回归极显著，即试验所选择 5个因素对莴笋
叶渣吸附重金属离子铜效果有显著影响。由此可知，所
得二次回归方程模型合适。
从表 3各回归系数的显著水平 P值可以看出，加入
量(X1)、质量浓度(X2)、pH(X 4)对重金属离子铜吸附率
(Y)在α＝ 0.01水平显著。5个因素对铜吸附率(Y)效
果影响大小顺序为：加入量＞质量浓度＞ pH 值＞温
度＞时间。
剔除回归方程中不显著因素，得到简化后的回归
方程为：Y＝ 85.45862＋ 11.80098X1－ 6.85546X2＋
2.14203X4－ 4.75315X12－ 2.40953X22－ 2.23141X32－
3.40533X52＋ 3.84570X1X2－ 3.15888X1X4。
莴笋叶渣对重金属离子铜的吸附率与加入量、质量
浓度、时间、pH值、温度的相关指数 R2＝回归平方和 /
总平方和＝93.12%，而其他因素的影响和误差占 6.88%。
2.3 单因素效应分析
用降维法将其他因素固定在零水平条件下，分别研
究加入量(X 1)、质量浓度(X 2)、时间(X 3)、pH 值(X 4)、
温度(X5)对Cu2＋吸附率(Y)的影响(图 1)。
表 3 二次正交旋转组合试验结果方差分析
Table 3 Analysis of variance of results of quadratic orthogonal
rotation combination trials
变异来源 SS df MS F值 P值
X1 3342.3145 1 3342.3145 103.01457 0.00001
X2 1127.9344 1 1127.9344 34.76444 0.00003
X3 1.4902 1 1.4902 0.04593 0.83319
X4 110.1189 1 110.1189 3.39401 0.08529
X5 30.1724 1 30.1724 0.92995 0.35017
X12 722.9583 1 722.9583 22.28253 0.00027
X22 185.7867 1 185.7867 5.72619 0.03024
X32 159.3344 1 159.3344 4.9109 0.04257
X42 71.2609 1 71.2609 2.19636 0.15904
X52 371.0796 1 371.0796 11.43717 0.00411
X1X2 236.6311 1 236.6311 7.29328 0.01644
X1X3 6.0944 1 6.0944 0.18784 0.67089
X1X4 159.656 1 159.656 4.92081 0.04239
X1X5 1.1619 1 1.1619 0.03581 0.85244
X2X3 1.417 1 1.417 0.04367 0.83727
X2X4 9.7091 1 9.7091 0.29925 0.5924
X2X5 0.0056 1 0.0056 0.00017 0.98971
X3X4 0.9189 1 0.9189 0.02832 0.8686
X3X5 34.0308 1 34.0308 1.04888 0.322
X4X5 14.2984 1 14.2984 0.4407 0.51686
交互作用 6586.3736 20 329.3187 F2=10.150 0
残差 486.676 15 32.4451
模型 348.8491 6 58.1415 F1=3.797 0.01677
误差 137.8268 9 15.3141
总和 7073.0496 35
图 1 各因素对 Cu2 ＋吸附率的影响
Fig.1 Effect of each factor on Cu2＋ adsorption rate
吸
附
率
/%
－2 －1 0 1 2
100
80
60
40
20
因素
X1
X2
X3
X4
X5
2012, Vol. 33, No. 10 食品科学 ※工艺技术134
如图 1 所示，吸附率随质量浓度增加呈下降趋势，
明显表现为负相关；吸附率随 pH 值增加相应提高，明
显表现为正相关。加入量、时间、温度与吸附率呈抛
物线关系，表明 3因素均存在一个合理范围，即对莴笋
叶渣吸附重金属 Cu 2 ＋都呈先升后降趋势。
2.4 影响因素交互作用响应面分析
通过对回归方程分析可知，X 1X 2、X 1X 4 影响极显
著，响应面图见图 2、3。
由图 2可知，吸附率并非随加入量及质量浓度的增
加而增加，而是随加入量的增加先增后降，而质量浓
度越高吸附率越低，加入量 0.5g、质量浓度 20mg/L时，
达到最大吸附率 93.4089%。表明二者互作时，质量浓
度影响较大。
由图 3可知，吸附率随加入量及 pH值的增加而增
加，在加入量 0.9g、pH3时有最大吸附率 98.39945%，
表明 2者互作时，加入量与 pH 值影响均较大，且二者
在影响程度上有互相增强的趋势。
2.5 莴笋渣对重金属离子铜吸附的最佳参数组合
通过计算机模拟寻优得出莴笋叶渣对重金属离子铜
吸附的优化组合为：加入量在 2水平(0.9g)，质量浓度
0水平(30mg/L)、时间 0水平(5h)、pH值－ 2水平(3)、
温度在 0水平(40℃)，在此条件下莴笋叶渣对铜吸附率
为 98.40%。按照最佳参数对优化结果进行验证，其实
测吸附率 97.96%，与理论值 98.40%较接近，进一步验
证了数学回归模型的合理性。
2.6 固液比对吸附效果的影响
为提高莴笋叶渣的利用率，研究了莴笋叶渣用量和
金属溶液体积之间的固液比，结果如图 4所示，莴笋叶
渣用量的增多导致固液比增大，吸附率也增大，当固
液比大于 12g/L后，吸附率增大趋势放缓且提高幅度很
小，由此可知对于 30mg/L Cu2＋溶液，莴笋叶渣吸附时
的最佳固液比为 12g/L，此时吸附率为 82.28%。
2.7 莴笋叶渣与活性碳的吸附能力对比
如图 5所示，Cu2 ＋溶液初始质量浓度为 10mg/L和
30mg/L时，莴笋叶渣的吸附效果略高于活性炭；Cu2 ＋
初始质量浓度为 50mg/L时，活性炭相对优于莴笋叶渣。
可见对于中低质量浓度的 Cu2＋溶液，莴笋叶渣的吸附效
果稍好于活性炭；而对于高质量浓度的 Cu 2 ＋溶液，活
性炭的吸附效果优于莴笋叶渣。
原因可能为两者的吸附机理不同。活性炭的特性决
定了其对Cu2＋的吸附属物理吸附，莴笋叶渣主要成分是纤
维素[19-20]，纤维素本身具有很强的重金属螯合能力[21-23]，
尤其是本实验所用莴笋叶渣经过酸碱处理，理论上具有
图 4 莴笋叶渣吸附 Cu2+溶液的固液比
Fig.4 Effect of solid to liquid radio on Cu2+ adsorption by residue of
asparagus lettuce leaf
吸
附
率
/%
0 5 10 15 20 25 30
100
80
60
40
20
0
固液比(g/L)
图 5 莴笋叶渣与活性碳吸附能力比较
Fig.5 Comparison between asparagus lettuce leaf residue and activated
carbon adsorption capacity
莴笋叶渣
活性炭
吸
附
率
/%
10 30 50
80
60
40
20
0
Cu2+初始质量浓度 /(mg/L)
图 2 加入量与质量浓度的交互作用响应面分析
Fig.2 Response surface plots of the interactive effects of addition
amount and concentration on Cu2+ adsorption
吸
附
率
/%
2.
0
100
50
0
X
1
1.
5
1.
0
0.
5
0.
0
－0
.5
－1
.0
－1
.5
－2
.0
－1.5－2.0
－1.0
－0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
X2
图 3 加入量与 pH 值交互作用响应面分析
Fig.3 Response surface plots of the interactive effects of addition
amount and pH on Cu2+ adsorption
吸
附
率
/%
2.
0
100
50
0
X
1
0.
5
－0
.5
－1
.0
－2
.0 －2.0
－1.0
0.0
1.5
2.0
X2
1.
2
1.
0
0.
0
－1
.5
－1.5
－0.5
0.5
1.0
135※工艺技术 食品科学 2012, Vol. 33, No. 10
更强的重金属螯合能力[24]。根据莴笋叶渣成分特性及图
5所示结果，结合前人研究[25 ]，推测莴笋叶渣对 Cu 2 ＋
的吸附可能既有物理吸附又有化学吸附，且以物理吸附
为主，化学吸附为辅，从而对图 5 结果分析如下：当
Cu2 ＋溶液初始质量浓度较低时，莴笋叶渣在物理吸附和
化学吸附共同作用下，吸附效果较活性炭好；当Cu2＋溶
液初始质量浓度比较高时，莴笋叶渣的物理吸附能力没
有活性炭好，容易达到饱和，且化学吸附作用有限，
所以吸附效果没活性炭好。
3 讨论与结论
3.1 莴笋叶渣对重金属离子铜吸附的回归数学模型
为：Y＝85.45862＋11.80098X1－6.85546X2＋0.24918X3＋
2.14203X4＋1.12124X5－4.75315X12－2.40953X22－2.23141X32－
1.49228X42－3.40533X52＋3.84570X1X2＋0.61717X1X3－
3.15888X1X4－0.26948X1X5－0.29760X2X3＋0.77899X2X4－
0.01867X2X5－ 0.23965X3X4－ 1.45840X3X5＋0.94533X4X5。
通过分析此模型在本实验范围内能较准确预测莴笋叶渣
对重金属离子铜的吸附率。
3.2 从回归模型可知，当加入量 0.9g、Cu2＋质量浓度
30mg/L、时间 5h、pH3、温度 40℃时，莴笋叶渣对
Cu2 ＋的最高吸附率为 98.40%。据此条件进行验证，其
实测值 97.96%,与理论值基本一致，进一步验证了数学
回归模型的合理性。
3.3 对于 30mg/L Cu2＋溶液，莴笋叶渣为吸附剂时的最
佳固液比为 12g/L；对于中低质量浓度的Cu2＋溶液，莴
笋叶渣的吸附效果好于活性炭。
可见该模型较好地反映出重金属离子铜的吸附条
件，利用莴笋叶渣吸附重金属离子铜不仅提高了吸附
率，而且也提高了莴笋叶渣的利用价值，本实验为开
发莴笋叶渣这种无残留、无毒副作用、安全无污染、
清洁环保的新型绿色生物吸附材料提供理论参考。
参 考 文 献 ：
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