全 文 ：改性花生壳吸附废水中 Cr(Ⅵ )条件的优选试验
刘智峰 1 ,李旭 2　(1.陕西理工学院化学与环境科学学院陕西汉中 , 723001;2.孝感市环境保护科学研究所 ,湖北孝感 432000)
摘要　[目的]研究改性花生壳对废水中Cr(Ⅵ )的吸附性能。 [方法]用磷酸溶液对花生壳进行改性处理 ,制备不同浓度的Cr(Ⅵ )溶液 ,
采用单因素试验研究Cr(Ⅵ )初始浓度 、改性花生壳投加量 、pH值、反应时间对吸附率的影响 ,并通过正交试验优化改性花生壳对废水中
Cr(Ⅵ )的吸附条件。 [结果] 极差分析可知 ,在影响吸附效果的因素中 , pH值的影响最大 ,投加量和反应时间次之 , Cr(Ⅵ )初始浓度的
影响最小。最佳吸附条件为:pH值为 2.0, Cr(Ⅵ )浓度为 40mg/L,花生壳粉末投加量为 30g/L,反应时间为 100min,对Cr(Ⅵ )的吸附率
可达 96.81%。改性花生壳对含Cr(Ⅵ )废水的吸附性能明显高于未改性花生壳。 [结论]该研究为花生壳的综合利用和含Cr(Ⅵ )废水
的处理研究提供有价值的参考。
关键词　改性花生壳 ;Cr(Ⅵ );吸附;影响因素
中图分类号　X712　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2010)29-16498-03
OrthogonalExperimentonAdsorptionConditionsforCr(Ⅵ )inWastewaterbyModifiedPeanutShel
LIUZhi-fengetal　(ColegeofChemistryandEnvironmentalScience, ShaanxiUniversityofTechnology, Hanzhong, Shaanxi723001)
Abstract　[ Objective] ThestudyaimedtostudytheadsorptioncapacityonCr(Ⅵ )inwastewaterbymodifiedpeanutshel.[ Method] Thepea-
nutshellwasmadeforthemodificationtreatmentwiththephosphoricacidsolutionandtheCr(Ⅵ )solutionwaspreparedatdiferentcondn.The
effectsofCr(Ⅵ )initialconcn, addingdosageofmodifiedpeanutshell, pHvalueandreactiontimeontheadsorptionratewerestudiedthroughthe
singlefactortestandtheadsorptionconditionsforCr(Ⅵ )inwastewaterbythemodifiedpeanutshelwereoptimizedthroughtheorthogonaltest.
[ Result] Therangeanalysisshowedthat, amongthefactorsthataffectedtheadsorptionefect, theefectofpHvaluewasmaximum, folowedbythe
addingdoseandthereactiontimeandtheefectofCr(Ⅵ )initialconcn.wasminimum.Theoptimalconditionsofadsorptionwereasfolows:the
valueofpHwas6, theinitialconcn.ofCr(Ⅵ )was40mg/L, thedosageofmodifiedpeanutshellswas30g/Landthereactiontimewas100min,
underwhich, theadsorptionrateontheCr(Ⅵ )couldbeashighas96.81%.TheadsorptioncapacityonCr(Ⅵ )inwastewaterofmodifiedpeanut
shellwasobviouslybeterthanthatofthenon-modifiedpeanutshel.[ Conclusion] Thestudyprovidedavaluablereferenceforthecomprehen-
siveutilizationofpeanutshellsandthetreatmentresearchonCr(Ⅵ )inthewastewater.
Keywords　Modifiedpeanutshels;Cr(Ⅵ );Adsorption;Factors
基金项目　陕西省自然科学基础研究计划项目(2010JM7016);陕西理
工学院引进人才科研启动项目(SLGQD0710)。
作者简介　刘智峰(1979-),男 ,甘肃清水人 , 硕士 ,讲师 ,从事水污染
控制与资源化利用研究。
收稿日期　 2010-06-11
　　花生是我国主要油料作物 ,种植面积超过 533.3万
hm2[ 1] 。花生壳作为花生加工的下脚料并未充分利用 ,大部
分用作燃料或当作废渣弃去 ,造成自然资源的浪费与污染 ,
直接影响了花生的综合利用价值。近年来 ,利用花生壳制备
吸附剂的研究已引起人们的重视 ,将其用于废水处理方面的
研究 [ 2-3] 。余纯丽等报道 ,利用傅立叶变换红外光谱(FT-
IR)和 XRD测定已证实花生壳粉末的主要成分中的酚羟基 、
氨基等对水溶液中金属离子具有较好的交换 、结合能力 ,并
从动力学和热力学相关参数阐述了六价铬(Cr(Ⅵ ))的吸附
机理 [ 4-5] 。Cr(VI)的毒性比三价铬高 100倍 ,而且更易被人
体吸收并在体内蓄积 ,导致肝癌。因此 ,我国已把 Cr(Ⅵ )规
定为废水实施总量控制的指标之一 。笔者利用磷酸改性的
花生壳对废水中 Cr(Ⅵ )的吸附性能进行探讨 ,以期为花生壳
的综合利用和含 Cr(Ⅵ )废水的处理提供有价值的参考数据 。
1　材料与方法
1.1　材料与仪器
1.1.1　主要材料前处理。花生壳 ,购自当地农贸市场 。花
生壳用自来水洗涤去除泥土和杂质 ,在室温下风干 ,粉碎过
0.5 mm筛。主要试剂有重铬酸钾(化学纯),二苯碳酰二肼 、
丙酮 、磷酸 、硫酸均为市售 ,分析纯 。
1.1.2　主要仪器。 98-1磁力搅拌器 ,由上海司乐仪器有限
公司生产;754型紫外可见分光光度计 ,由上海光谱仪器有限
公司生产;L-600台式低速自动平衡离心机 ,由湖南省长沙湘
仪集团生产;PHS-3C型 pH计 ,由上海精密科学仪器有限公
司生产;101-1型电热鼓风干燥箱 ,由北京科伟永兴仪器有限
公司生产;SHB-Ⅲ型系列循环水式多用真空泵 ,由郑州长城
科工贸有限公司生产。
1.2　方法
1.2.1　Cr(Ⅵ )溶液的制备。称取与 120 ℃干燥 2 h的
K2Cr2O7(化学纯)0.282 9g,用蒸馏水溶解后 ,移入 1 000 ml
容量瓶中 ,用水稀释至标线 ,摇匀 ,此时溶液中 Cr(Ⅵ )浓度为
100mg/L将此作为储备液 ,作为试验需要配制成相应浓度的
溶液。
1.2.2　花生壳的改性处理。称取 50 g过 0.5mm筛并经水
洗的花生壳 ,置于 1 000 ml的大烧杯中 ,加入 500 ml1 mol/L
磷酸溶液 ,搅拌 1h后 ,离心去除液体部分 ,用 75 ℃去离子水
清洗 ,去除游离的磷酸 ,然后在 50 ℃下烘干备用 [ 6] 。
1.3　试验设计
1.3.1　单因子试验 。①Cr(Ⅵ )初始溶液浓度选择。将 Cr
(Ⅵ )储备液分别配成 10、20、50、80和 100 mg/L的含铬废水 ,
各取 50ml,依次放入 5个洁净干燥的烧杯中 ,改性花生壳投
加量为 20g/L,调节 pH值为 2.0,温度为 33 ℃,进行搅拌 2h
后过滤 ,取出滤液 1 ml,测其吸光度。
②改性花生壳投加量选择。准确量取 20 mg/L的 Cr
(Ⅵ )废水 50 ml5份 ,依次放入 5个洁净干燥的烧杯中 ,分别
按 4、10、20、30和 40 g/L的量投加改性花生壳于 5个烧杯
中 ,调节 pH值为 2.0,温度为 33 ℃,搅拌 2 h后 ,过滤 ,取滤
液 1 ml,测其吸光度 。
③处理废水的 pH值选择。准确量取 20 mg/L的 Cr
(Ⅵ )废水 50 ml5份 ,依次放入 5个洁净干燥的烧杯中 ,分别
调节 pH值为 1.0、2.0、3.0、4.0和 5.0后 ,各自加入 20 g/L
责任编辑　夏静　责任校对　卢瑶安徽农业科学 , JournalofAnhuiAgri.Sci.2010, 38(29):16498-16500
改性花生壳 ,分别在温度为 33℃下搅拌 2 h,过滤 ,取出滤液
1 ml,测其吸光度。
④处理时间选择 。准确量取 20 mg/L的 Cr(Ⅵ )废水
50ml5份 ,依次放入 5个洁净干燥的烧杯中 ,分别调节 pH
值为 2.0,改性花生壳投加量为 20 g/L,在温度为 33 ℃下分
别搅拌 30、60、90、120和 150 min后 ,过滤 ,取出滤液 1 ml,测
其吸光度。
1.3.2　正交试验 。将 pH、初始浓度 、改性花生壳投加量和
反应时间作为考察因素 ,根据单因素试验结果确定各因素下
各水平取值范围 ,设计一个 L16(44)正交试验 ,从而优选出最
佳试验条件 ,正交试验因素及水平设计见表 1。
表 1　正交试验因素及水平设计
Table1　Factorsandlevelsoforthogonalexperiment
因素
Factor ApH
BCr(Ⅵ )浓度∥mg/L
Concentration
ofCr(Ⅵ )
C花生壳粉末投加量∥g/L
Peanutshel
dosage
D反应时间∥min
Reaction
time
1 1.5 10 16 80
2 2.0 20 20 100
3 2.5 30 30 120
4 3.0 40 40 140
1.4　检验指标　准确移取 50 ml一定浓度的 Cr(Ⅵ )溶液于
150 ml碘量瓶中 ,用 0.1 mol/LHNO3或 NaOH调节溶液的
pH值 ,加入一定量的改性花生壳 ,置于水浴恒温振荡器中振
荡一定的时间 ,静置片刻后过滤 , Cr(Ⅵ )的测定用二苯碳酰
二肼分光光度法(GB7467-87)[ 7] 。Cr(Ⅵ )的吸附率 E按下
式计算:
E=C0 -CeC0 ×100%
式中:E是吸附率;C0是吸附前溶液中 Cr6+的浓度(mg/L);
Cθ是吸附平衡后溶液中 Cr6+的浓度(mg/L)。
2　结果与分析
2.1　单因素试验结果
2.1.1　Cr(Ⅵ )初始浓度对吸附率的影响。由图 1 ～ 2可以
看出 ,在 Cr(Ⅵ )浓度为 20mg/L以前时 ,吸附率随 Cr(Ⅵ )浓
度的增加而增大 ,在其浓度为 20 mg/L时其吸附率最大为
94.8%,在此之后 ,吸附率呈现出大幅度下滑趋势 ,在浓度为
100 mg/L时吸附率仅达 71.8%。分析原因为 ,当改性花生
壳的加入量一定时 ,其含有的活性吸附位点数也一定 ,随
Cr(Ⅵ )浓度的增加活性吸附位点逐渐被 Cr6+占据 ,进而出现
过剩 ,导致 Cr(Ⅵ )的去除率降低。因此 ,最佳初始浓度为
20mg/L。
2.1.2　改性花生壳投加量对吸附率的影响。从图 2可知 ,
随着投加量从 4 ～ 30 g/L增加时 ,吸附率逐渐增大 ,在 20 ～
30g/L之间吸附率保持不变 ,为 95.11%,在此之前吸附率增
长幅度较大 ,在此之后吸附率逐渐变小。其原因是增加改性
花生壳的投加量 ,增加了对 Cr(Ⅵ )的吸附位点 ,因此吸附率
会不断上升 ,当在 20 ～ 30 g/L,基本上处于吸附饱和而达到
平衡状态 ,此后再增加改性花生壳的投加量吸附率变化很
小 。因此 ,最佳投加量为 20 g/L。
2.1.3　pH值对吸附率的影响。从图 3可知 ,当 pH<2.0
图 1　Cr(Ⅵ )初始浓度对吸附率的影响
Fig.1　EffectoftheinitialconcentrationofCr(Ⅵ )onadsorption
rate
图 2　改性花生壳投加量对吸附率的影响
Fig.2　Effectofmodifiedpeanutsheldosageonadsorptionrate
时 ,曲线基本上保持平稳 ,此时 Cr(Ⅵ )的吸附率保持在一个
相当高的水平 ,当 pH>2.0时吸附率不断下降 ,而且下降的
幅度是非常的大 ,尤其是pH>3.0后 ,可见 pH对吸附率的影
响是相当大的。 pH值较低时 ,溶液中的 Cr(Ⅵ )主要以
HCrO4 -、Cr2O72-形式存在 ,低 pH使吸附剂和附着离子间的
静电吸引力得到了增强。在 pH大于 3时 ,吸附作用往往会
大大减弱 ,这可能是由于吸附点位被大量 HCrO4- , Cr2O2 7-,
CrO24-离子占据 ,它们之间形成竞争 ,反而减少了与吸附剂
作用的机会 [ 8] 。导致对铬阴离子吸附量的减小 ,最终降低了
Cr(Ⅵ )的去除率 。因此 ,最佳 pH值为 2.0。
图 3　pH值对吸附率的影响
Fig.3　EfectofpHvalueonadsorptionrate
2.1.4　反应时间对吸附率的影响。由图 4可知 ,当反应时间
在 120min以前 ,反应曲线上升变化较为快速 ,到 120min以后
基本上曲线处于平稳状态 ,此时的吸附率已高达 95.25%,随后
吸附率逐渐下降。因此 ,最佳反应时间为 120min。
2.1.5　改性花生壳与未改性花生壳对比试验结果。准确量
1649938卷 29期　　　　　　　　　　　　　刘智峰等　改性花生壳吸附废水中 Cr(Ⅵ )条件的优选试验
图 4　反应时间对吸附率的影响
Fig.4　Effectofreactiontimeonadsorptionrate
取 20 mg/L的 Cr(Ⅵ )废水 50 ml2份 ,依次加入 2个洁净干
燥的烧杯中 ,称取改性和未改性花生壳各自 20 g/L,依次加
入那 2个烧杯中 ,分别调节 pH值为 2.0,在温度为 33 ℃下 ,
搅拌 2 h,过滤 ,取出滤液 1ml,测其吸光度。
改性后的花生壳处理 Cr(Ⅵ )废水的吸附率可达
95.25%,而未经过改性的花生壳处理 Cr(Ⅵ )废水的吸附率
达 90.82%,说明改性可以提高花生壳粉末对 Cr(Ⅵ )的吸附
率 ,其原因可能在于:①改善表面性质 ,增大比表面积 ,疏通
孔道 ,去除杂质 [ 9] ;②去除了某些阻挡物质 ,使得花生壳的一
些活性基团露出表面 ,从而增加了与 Cr(Ⅵ )作用的机会;③
花生壳的某些基团与磷酸作用后 ,其基团的特性可发生变
化 ,增强了其与 Cr(Ⅵ )作用的能力。
2.2　正交试验结果　从表中 2极差分析(R值)可知:RA>
RC >RD >RB,说明 pH值对 Cr(Ⅵ )吸附率的影响最大 ,改性
花生壳投加量和反应时间次之 , Cr(Ⅵ )初始浓度的影响最
小;根据K值可知 ,对于 A因素(pH值)和 D因素(反应时间)
最佳水平分别为 2.0和 140 min,这与单因素试验结果基本
一致。对于 B因素(Cr(Ⅵ )浓度)和 C(花生壳粉末投加量)
最佳水平分别为 40 mg/L和 30 g/L,这与单因素试验结果中
的 20mg/L和 20g/L有差别 ,原因是花生壳所提供的吸附位
点与 Cr(Ⅵ )浓度之间应该基本对应 ,单因素试验只确定了
20mg/L和 20 g/L为最佳 ,对于更大剂量有无更佳没有考
察 ,而正交试验正时弥补了单因素试验的不足。从表 2中
Cr(Ⅵ )吸附率结果看:第 8组试验效果最好 ,吸附率达到
96.81%,它所对应的条件为 pH值为 2.0, Cr(Ⅵ )浓度为
40mg/L,花生壳粉末投加量为 30 g/L,反应时间为 100 min,
由于极差分析中得知反应时间在 4个因素主次顺序中仅位
于第 3位 ,结合实际生产中较短的反应用时可以提高处理效
率 ,所以综合可虑 ,改性花生壳对废水中 Cr(Ⅵ )的最佳吸附
条件为:pH值 2.0, Cr(Ⅵ )浓度 40 mg/L,花生壳粉末投加量
30g/L,反应时间 100 min。
3　小结
(1)试验结果表明 ,改性花生壳对 Cr(Ⅵ )吸附性能明显
高于未改性花生壳 ,极差分析结果表明 ,影响吸附效果的因
素中 , pH值的影响最大 ,投加量和反应时间次之 , Cr(Ⅵ )初
始浓度的影响最小。
表 2　正交试验结果
Table2　Resultsoforthogonalexperiments
实验序号
No. A B C D
Cr(Ⅵ )吸附率∥%
Absorption
rateofCr(Ⅵ )
1 A1 B1 C1 D1 80.07
2 A1 B2 C2 D2 81.15
3 A1 B3 C3 D3 90.59
4 A1 B4 C4 D4 91.73
5 A2 B1 C2 D3 84.36
6 A2 B2 C1 D4 90.75
7 A2 B3 C4 D1 86.21
8 A2 B4 C3 D2 96.81
9 A3 B1 C3 D4 72.21
10 A3 B2 C4 D3 72.89
11 A3 B3 C1 D2 59.55
12 A3 B4 C2 D1 63.77
13 A4 B1 C4 D2 55.07
14 A4 B2 C3 D1 52.89
15 A4 B3 C2 D4 48.36
16 A4 B4 C1 D3 45.56
k1 85.885 72.927 68.983 70.735
k2 89.532 74.420 69.410 73.145
k3 67.105 71.178 78.125 73.350
k4 50.470 74.468 76.475 75.763
R 39.062 3.290 9.142 5.028
　　(2)正交试验优选最佳吸附条件为:pH值 2.0, Cr(Ⅵ )浓
度 40mg/L,花生壳粉末投加量 30 g/L,反应时间 100 min。
在此试验条件下 ,对 Cr(Ⅵ )的吸附率可达 96.81%。
(3)该方法制作方法简单 ,具有较高的开发应用价值 ,由
于花生壳原料丰富 ,容易获取 ,将其用来处理重金属废水 ,既
可治理环境污染 ,又可以提高花生的综合经济效益 ,有很好
的应用前景。
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16500 　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2010年