全 文 ：花生壳粉生物吸附水溶液中阴离子染料的研究 ＊
杨　超＊＊　龚仁敏　刘必融　刘慧君　孙影芝　柯丽霞
(安徽师范大学生命科学学院 , 安徽省重要生物资源保护与利用重点实验室 , 芜湖 241000)
Utilization of powdered peanut hull as biosorbent for removal of anionic dyes from aqueous solution.YANG
Chao , GONG Renmin , LIU Birong , L IU Huijun , SUN Yingzhi , KE Lixia(Key Laboratory of Bioresource Pro-
tection and Utilization of Anhui Province , College of Life Science , Anhui Normal University , Wuhu 241000 ,
China).-Chin.J.Appl.Ecol., 2004 , 15(11):2195 ～ 2198.
An untried , low cost , locally available biosorbent for its anionic dye removal capacity from aqueous solution was
investigated.Pow der prepared from peanut hull had been used for bio sorption of three anionic dyes , amaranth
(Am), sunset yellow (SY)and fast green FCF(FG).The effects of various experimental parameters(e.g.initial
pH and dye concentration , sorbent dosage , particle size , ion streng th , contact time e tc.)were examined and opti-
mal experimental conditions were decided.At initial pH 2.0 , three dyes studied could be removed effectively.
When the dye concentration was 50 mg·L-1 , the percentages of dyes sorbed was 95.5% in Am , 91.3% in SY
and 94.98% in FG , respectively.The ratios of dyes sorbed had neared max imum values in all three dyes when
sorbent dose of 5.0 g·L-1 and the sorbent par ticle size in 80 ～ 100 mesh w as used.The increasing the ion
strength of solution caused the decrease in biosorption percentages of dyes.The equilibrium values arrived at about
36 hour fo r all three dyes.The iso thermal data of bio sorption followed the Langmuir and Freundlich models.The
bio sorption processes conformed the pseudo-first-o rder rate kinetics.The results indicated tha t pow dered peanut
hull w as an attractive candidate for removing anionic dyes from dye wastewater.
Key words　Peanut hull , Biosorption , Anionic dye , Amaranth , Sunset yellow , Fast g reen FCF.
文章编号　1001-9332(2004)11-2195-04　中图分类号　X52　文献标识码　A
＊安徽省教育厅自然科学基金(2003kj164)、安徽师范大学自然科学
专项基金(2004xzx08)和安徽省重要生物资源保护与利用重点实验
室基金资助项目.
＊＊通讯联系人.
2004-02-04收稿 , 2004-07-20接受.
1　引　　言
与天然染料相比 ,合成染料因具有使用方便 、性质稳定 、
成本低 、品种多等优点 , 而被广泛地应用于纺织 、造纸 、橡胶 、
塑料 、化妆品 、制药和食品工业[ 2 ～ 4] .目前 , 商品染料已有一
万多种[ 1] , 其中多数具有复杂的芳环结构而难以生物降
解[ 5] .染料的广泛使用导致染料废水大量排放到自然水体
中 ,造成水体污染.即便是少量的染料废水排放也会导致大
片水体着色 ,这不仅影响水体的美观 , 而且减少透光量 , 进而
影响生物的光合作用.其中 , 许多有机染料(如活性 X-3B 红
等偶氮染料), 还存在人体致癌的健康风险[ 22] .在工业生产
中 ,染料废水的去除方法有絮凝[ 6] 、氧化 、臭氧化[ 7 , 8] 、膜分
离[ 9]和活性炭吸附[ 10]等 ,但这些技术因效率低 、成本高等原
因 ,难以普遍使用.活性炭吸附是目前应用最广的染料废水
处理方法 ,但活性炭价格相对较高 , 使用后需再生 ,这又会产
生再生费用 ,并且产生二次染料废水或导致吸附剂及吸附能
力的损失 ,因此其使用也受到限制.人们开始寻找廉价易得 、
可更新的材料用于处理染料废水.一些农业废弃物已被用于
此项研究 ,这些材料可以一次性使用 , 然后适当处置 , 也可用
作供能燃料或者作为固体发酵的底物 ,利用微生物来生产土
壤调节剂和动物饲料.
许多廉价的材料已被用做染料废水的吸附剂 , 如橘子
皮 、木薯皮 、香蕉皮 、李属植物的核 、苹果渣 、大麦杆 、废棉絮 、
稻壳 、柚木树皮 、锯末 、蔗渣 、玉米芯 、棕榈果枝 、椰壳纤维
等[ 11 ～ 21] .花生壳是一种廉价的农作物废弃物 , 产于各地 , 且
量大.用花生壳来吸附染料的研究国内外尚未见报道.本文
对影响吸附效果的各种因素(pH 值 、染料浓度 、吸附剂量 、吸
附剂粒径 、离子强度及吸附时间)进行了研究 , 对花生壳作为
吸附剂去除水溶液中阴离子染料的可行性进行了考察.
2　材料与方法
2.1　吸附剂制备及电镜观察
实验用花生壳购自当地农贸市场 , 自来水浸泡后清洗除
去泥土和灰尘 , 蒸馏水洗涤 , 80 ℃烘干至恒重 , 粉碎后过筛
成不同直径的颗粒 , 置干燥器内备用.对其表面及内部进行
电镜观察.
2.2　染料溶液制备
3 种纯度为 80%～ 85%的阴离子染料(苋菜红 、日落黄 、
固绿),用蒸馏水配成 200 mg·L-1的贮存液 , 使用时再按准
确比例稀释成相应浓度的溶液.
2.3　实验方法与染料测定
取事先用 0.1 mol·L-1 HCl或 NaOH 将 pH 调至适当
值 , 不同浓度的 3 种染料溶液 100 ml分别置于 250 ml的三
应 用 生 态 学 报　2004年 11 月　第 15 卷　第 11 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Nov.2004 , 15(11)∶2195 ～ 2198
DOI :10.13287/j.1001-9332.2004.0453
角烧瓶中 ,加入不同剂量(不同粒径)的吸附剂后密封瓶口 ,
以防吸附过程中溶液体积改变.室温条件下(20±2 ℃), 在
调速多用震荡器上以 150 r·min-1速度震荡吸附至预定的时
间 ,自三角烧瓶中取样 , 经 200 目不锈钢网过滤后在高速离
心机上以 15 000 r·min-1离心沉降吸附剂颗粒 , 上清液用
752 W(紫外-可见)分光光度计在染料的最大吸收波长下测
定吸光值 ,根据标准曲线计算溶液中染料浓度.吸附量 q 按
下式计算:
q =(C0 -Ce)V/ W (1)
式中 , q为每克吸附剂吸附染料的量(mg·g-1), C0为染料溶
液初始浓度(mg· L-1), Ce为吸附平衡时溶液中染料的浓度
(mg· L-1), V 为溶液体积(L), W为吸附剂量(g).实验重复
3 次 , 每次都用无吸附剂的染料溶液在同样条件下实验作为
对照 ,从而排除容器可能对染料吸附而造成的误差.
3　结果与分析
3.1　电镜观察结果
由图 1 可以看出 ,花生壳内部有大量孔隙(图 1a 中白色
区), 其外表有极粗糙的表面 ,这些都有利于吸附染料.
3.2　pH 值对吸附的影响
由于初始 pH 值对染料吸附的影响较大 , 故首先考察了
pH 值对 3 种阴离子染料吸附的影响.考虑到在实际运用中
不会出现极端酸度 ,故未进行 pH 2 以下的实验.从图 2 可以
看出 , pH 2 ～ 11 范围内 , 3 种染料的吸附率在 pH 2 时最高;
在 pH 2～ 5 范围内 , 随 pH 的增加 , 染料吸附率明显下降;pH
5 以后 , 染料去除率不再有明显的改变.因此 , 选择 pH 2 进
行其它影响因素的实验.
3.3　染料浓度对吸附的影响
由图3 可以看出 , 在10 ～ 100 mg·L-1的范围内 ,随着染
料浓度的增加 , 3 种阴离子染料的吸附率都有所下降.其中 ,
苋菜红的吸附率从 98.7%下降至 72.83%, 日落黄从
99.57%降至 70.42%,固绿从 98.2%下降至 74.31%.
用 Langmuir 和 Freundlich 吸附等温线方程对图 3 的数
据进行模拟 ,得线型的 Langmuir 方程如下:
　　 Ce/ qe =1/(aQm)+Ce/ Qm (2)
式中 , Ce为吸附平衡时溶液中染料浓度(mg · L-1), qe为平
图 1　花生壳的透射电子显微镜(a)及扫描电子显微镜(b)照片
Fig.1 TEM (a)and SEM (b)photograph of peanut hull.
a)×20000 , b)×150.
图 2　初始 pH 对花生壳生物吸附苋菜红 、日落黄 、固绿的影响
Fig.2 Effect of ini tial pH on biosorpt ion of Am , SY , FG by pow dered
peanut hull.
染料浓度为 50 mg·L -1 Dye concen trat ion w as 50 mg·L -1 ,吸附剂量
为 5 g·L -1Sorbent dose was 5 g·L -1 ,粒径为 80～ 100目 Particle size
w as 80～ 100 mesh , 吸附时间为 36 h Contact t ime w as 36 h , pH:2.0.
Am:苋菜红 Am aranth;SY:日落黄 Sunset yellow;FG:固绿 Fast green
FCF.下同 The same below.
衡时吸附剂的染料吸附量(mg·g-1), Qm为吸附剂最大吸附
量 , a为 Langmuir常数.Qm 和a值可由直线方程的斜率和截
距算出.Freundlich 方程线性化为:
ln Qe = lnK +(1/ n)ln Ce (3)
式中 , Qe为吸附平衡时吸附剂吸附的染料量 , Ce为平衡时溶
液中的染料浓度 , K 、1/ n 为经验常数 , 其值可由直线方程的
斜率和截距算出.
Langmuir和 F reundlich 方程的拟合结果列于表 1.由两
方程的线性相关系数 R 2 值可以判定:3 种染料的生物吸附
对两个方程都拟合良好.
图 3　染料浓度对花生壳生物吸附苋菜红 、日落黄 、固绿的影响
Fig.3 Effect of dye concent ration on biosorpt ion of Am , SY , FG by pow-
dered peanut hull.
表 1　Langmuir方程的 Qm、 a值和 Freundlich方程的 K 、1/ n 值及方程的线性相关系数
Table 1 Qm and a values in Langmuir equation , the K and 1/ n values
in Freundlich equation and the correlation coefficients of equations
染料
Dye
Langmuir
Qm(mg·g -1) a R 2
Freundlich
K 1/ n R 2
Am 14.90 0.766 0.9952 5.320 0.353 0.9254
SY 13.99 0.495 0.9745 4.941 0.299 0.9802
FG 15.60 0.571 0.9965 4.894 0.396 0.9381
Am:苋菜红 Amaranth;SY:日落黄 Sunset yellow;FG:固绿 Fast
green FCF.下同 The same below.
3.4　吸附剂量对吸附的影响
吸附剂量对染料去除率的影响见图 4.由图 4 可以看
2196 应　用　生　态　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　15卷
出 ,当染料浓度为 50 mg·L-1时 , 在 1.0 ～ 10.0 g·L -1范围
内 ,随着吸附剂量的增加 , 染料的去除率增加 ,苋菜红的吸附
率从 33.64%增至 98.64%, 日落黄的吸附率从 24.72%增至
98.26%,固绿的吸附率从 38.16%增至 99.12%.染料吸附
率随吸附剂量的增加而提高 , 这是由于吸附剂量增加 , 增加
了其吸附表面积 , 增加了参与吸附的基团数的缘故.从图 4
还可以看出 ,吸附剂量在 5.0 g·L-1时 , 吸附已基本达到最
大值 , 随后吸附剂量的增加对染料的吸附率已无明显影响.
所以 ,后续实验均采用 5.0 g·L-1的吸附剂量.
图 4　吸附剂量对花生壳生物吸附苋菜红 、日落黄 、固绿的影响
Fig.4 Effect of sorbent dose on biosorption of Am , SY , FG by pow dered
peanut hull.
3.5　吸附剂粒径对吸附的影响
吸附剂的不同粒径对染料吸附的影响见图 5.由图 5 可
以看出 ,随着吸附剂粒径的减小 , 染料吸附率增大 ,但吸附剂
粒径为 80 ～ 100目时 , 3 种染料的去除率都已接近最大值.
为便于吸附剂的分离 ,选择 80～ 100 目的花生壳粉作为各种
实验参数研究的吸附剂.
图 5　吸附剂不同粒径对花生壳生物吸附苋菜红 、日落黄 、固绿的影响
Fig.5 Ef fect of particle size on biosorpt ion of Am , SY , FG by pow dered
peanut hull.
3.6　离子强度对吸附的影响
在染料溶液中加入一定浓度的 NaCl来考察离子强度对
染料生物吸附的影响.从图 7 可以看出 , 当 NaCl的浓度为 0
～ 0.5 mol·L-1时 , 随着离子强度的增加 , 3 种染料的吸附率
都有所下降.我们认为 , 这可能是 NaCl阻碍了染料分子与吸
附基团的接近和结合.图 6 还表明 , 阴离子染料分子量越小 ,
离子强度对其生物吸附的影响越大.
3.7　吸附动力学
吸附动力学的结果见图 7a.由图 7a 可见 ,初始阶段吸附
图 6　离子强度对花生壳生物吸附苋菜红 、日落黄 、固绿的影响
Fig.6 Ef fect of ion strength on biosorption of Am ,SY , FG by pow dered
peanut hull.
速度较快 ,随后是一个速度较慢的吸附过程 , 36 h 后 3 种染
料的吸附基本达到平衡 , 此后时间增加对染料的吸附几乎没
有影响.为了确定吸附过程的反应级数 , 将图 8 数据代入
Langerg ren 准一级反应动力学方程:
lg(qe-q t)= lg qe-k ad t/ 2.303 (4)
式中 , qe和qt分别为吸附平衡时和 t时间的染料吸附量(mg·
g-1);kad 是速率常数 , 其值可由 lg(qe-qt)对 t 作图所得直
图 7　花生壳生物吸附苋菜红 、日落黄 、固绿的动力学曲线(a)和
Langergren图(b)
Fig.7 Biosorption kinetics(a)and Langergren plots(b)of Am ,SY , FG
by powdered peanut hull.
　　线方程的斜率求得.3 种染料生物吸附的 Langerg ren 图
见图 7b , 线性相关系数 R 2 都接近于 1 , 表明其符合
Langerg ren 准一级反应动力学方程.
4　结　　论
4.1　初始pH 值为 2时 , 被研究的 3种阴离子染料去除效果
较好 , 吸附等温线符合 Langmuir 和 F reundlich 方程 , 花生壳
对苋菜红 、日落黄和固绿的最大吸附能力分别为 14.90、
219711 期　　　　　　　　　　　　杨　超等:花生壳粉生物吸附水溶液中阴离子染料的研究　　　　　　　　　　　
13.99 和 15.60 mg·g -1 ,吸附过程符合 Langergren 准一级反
应动力学方程.
4.2　花生壳内部有大量孔隙和粗糙表面 , 它对 3 种阴离子
染料都有很好的去除效果.由于花生壳量大 、价廉 、易得 , 因
而用其来处理阴离子染料废水成本很低 ,推广前景广阔.
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～ 916(in Chinese)
作者简介　杨　超 , 男 , 1970 生 , 讲师 , 硕士 , 主要从事生物
化学与分子生物学的研究 , 发表论文 10 余篇.E-mail:
yangchao0203@yahoo.com.cn
2198 应　用　生　态　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　15卷