殼聚糖對酸性品紅的吸附研究

胡巧開 鄧真麗 陳丹

1 湖北師范學院城市與環境學院 （中國黃石 435002）

2 湖北師范學院化學化工學院 （中國黃石 435002）

環境保護

殼聚糖對酸性品紅的吸附研究

胡巧開1鄧真麗2陳丹1

1 湖北師范學院城市與環境學院 （中國黃石 435002）

2 湖北師范學院化學化工學院 （中國黃石 435002）

探討了殼聚糖吸附酸性品紅的影響因素。單因素試驗優選了吸附時間、殼聚糖用量、pH值、酸性品紅溶液初始濃度、溫度及攪拌速率等。在此基礎上進行了四因素三水平的正交試驗，結果表明，殼聚糖吸附酸性品紅的最佳工藝條件為：酸性品紅溶液的初始質量濃度為30 mg/L、pH＝4，殼聚糖投加量為0.008 g/mL，吸附時間為80 min，此時殼聚糖對酸性品紅溶液的吸附脫色率達到96.8%。

殼聚糖 吸附 酸性品紅 脫色率

0 前言

印染行業是工業廢水的主要排放行業，其廢水具有有機污染物含量高、色度深、堿性大、水質變化大等特點，屬于難處理的工業廢水[1-2]。酸性品紅是一種三苯甲烷染料，在醫藥、生化、石油等行業都有廣泛的應用。酸性品紅具有較強的染色能力和毒性，結構中含有對生物呈強抑制作用的苯環，并且為高共軛分子，降解存在一定難度[3]。因此，開發經濟有效的印染廢水處理技術成為當今環保行業關注的課題。

近年來，一些科研工作者對殼聚糖及其衍生物在印染廢水中的應用作了一系列研究。Gandjidoust H等[4]的研究表明，用殼聚糖絮凝劑處理造紙工業廢水，其對色度和總有機碳（TOC）的去除均優于其他合成絮凝劑，其中色度去除率大于90%，TOC去除率達到70%。王萍等以殼聚糖和丙烯酞胺為原料，得到了一類新型殼聚糖改性物絮凝劑，研究了殼聚糖-丙烯酞胺接枝共聚的反應規律，且對實際印染廢水的化學需氧量（COD）去除率達到60%左右。

殼聚糖是一種天然高分子，廣泛存在于蝦蟹和昆蟲的外殼以及藻類的細胞壁中，具有可生物降解性、低毒性。其分子中含有豐富的自由氨基和羥基，可與其他分子形成氫鍵，且性能穩定、吸附量大、易回收，可用作良好的高分子吸附劑，在印染廢水的處理上具有一定的優越性[5]。本課題研究了殼聚糖對酸性品紅模擬印染廢水的吸附性能，以期為殼聚糖在印染廢水處理中的應用提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

儀器：THZ-82數顯水浴恒溫振蕩器，常州國華電器有限公司；BS224S賽多利斯電子分析天平、722N可見分光光度計，上海儀電科學儀器股份有限公司；JJ-4型六聯電動攪拌器，江蘇省金壇市中大儀器廠；SFG-01電熱恒溫鼓風干燥箱，黃石市恒豐醫療器械有限公司。

試劑：鹽酸、酸性品紅，分析純，天津市東麗區泰蘭德化學試劑廠。

1.2 實驗分析方法

用可見分光光度計測定酸性品紅溶液的吸光度，脫色率計算公式見式（1）。

式中：A1——處理前酸性品紅溶液的吸光度；A2——處理后酸性品紅溶液的吸光度。

用稀釋倍數法測定吸附脫色后模擬廢水的稀釋倍數。

1.3 實驗方法

（1）單因素試驗法

對一定體積的酸性品紅溶液,改變吸附脫色的條件，如酸性品紅溶液的初始濃度、溫度、pH值、殼聚糖的投加量、攪拌速率、吸附時間等。測定吸附前后的吸光度,計算脫色率。

（2）正交試驗法

在單因素試驗的基礎上，選擇吸附時間、pH值、殼聚糖用量、酸性品紅溶液初始濃度的四因素三水平的正交試驗，通過正交試驗確定殼聚糖吸附酸性品紅的主要影響因素和最佳吸附條件。

2 結果與討論

2.1 殼聚糖的用量對脫色率的影響

取5份質量濃度為50 mg/L的酸性品紅溶液各50 mL，分別加入不同量的殼聚糖。在室溫、自然pH值（pH=6）條件下，以150 r/min的速率攪拌吸附30 min后抽濾，測定水樣吸附前后的吸光度。見圖1。

圖1 殼聚糖用量對脫色率的影響

由圖1可知，酸性品紅溶液的脫色率隨著殼聚糖投加量的增加而增大，但當投加量達到0.8 g后，殼聚糖投加量的增加對脫色率影響不大，這是因為吸附劑投加量增大到一定程度后，過量吸附劑不能被充分利用，產生空余吸附位[4]。

2.2 吸附時間對脫色率的影響

取5份質量濃度為50 mg/L的酸性品紅溶液各50 mL，分別加入0.8 g殼聚糖，改變吸附脫色時間，其他條件同2.1，吸附處理后的結果見圖2。

圖2 吸附時間對脫色率的影響

圖2表明，吸附時間對脫色率有一定的影響，吸附時間在20～80 min之間，酸性品紅溶液的脫色率隨著時間的延長而增大，其后延長吸附時間，對酸性品紅溶液的脫色無顯著變化，這是因為經過一段時間的反應后，每個殼聚糖分子都趨于飽和，能吸附的染料分子數量增加得很緩慢[6]，即吸附的最佳時間為80 min。

2.3 吸附溫度對脫色率的影響

取5份質量濃度為50 mg/L的酸性品紅溶液各50 mL，分別加入0.8 g殼聚糖，改變吸附溫度，其他條件同2.2，吸附處理80 min，結果見圖3。

圖3 吸附溫度對脫色率的影響

由圖3可知，溫度對酸性品紅溶液的脫色率影響不顯著，相對而言，溫度在25℃時，脫色率較好。這是由于酸性品紅溶液中的懸浮顆粒隨著溫度的升高而發生解離作用，電荷也隨之增加，使得膠體與殼聚糖易發生吸附作用，從而使脫色率和吸附量升高；溫度繼續升高，酸性品紅溶液中膠體變性，形成黏團，包裹顆粒，使殼聚糖不易與膠體和懸浮顆粒吸附沉降，導致脫色率下降[7]。后續試驗仍在室溫下進行。

2.4 酸性品紅溶液初始質量濃度對脫色率的影響

改變酸性品紅溶液的初始質量濃度，其他條件同2.3，吸附脫色處理后的結果見圖4。

圖4 酸性品紅溶液初始質量濃度對脫色率的影響

由圖4可知，酸性品紅溶液初始質量濃度對脫色率有較大的影響，初始質量濃度為30 mg/L時，吸附性能較好，脫色率最大。初始質量濃度從10 mg/L變化到30 mg/L，脫色率隨著濃度的增加而增加，原因是隨著酸性品紅溶液初始質量濃度的增加，殼聚糖與酸性品紅的接觸機會增加，更容易發生吸附。但是初始質量濃度進一步增加，脫色率略有下降，可能的原因是殼聚糖投加量偏少，對高濃度酸性品紅的吸附不完全[8]。

2.5 pH值對脫色率的影響

取5份質量濃度為30 mg/L的酸性品紅溶液各50 mL，改變模擬廢水的pH值，其他試驗條件與2.4相同，結果見圖5。

圖5 pH值對脫色率的影響

由圖5可知，模擬廢水的pH值對脫色率有一定的影響，在本實驗條件下，pH＝4時，脫色率最大。這是因為在較低pH值下，殼聚糖分子鏈上產生一小部分質子化的氨基，從而提高了它的親水性，增強了其氨基對有機物分子中水溶性離子產生吸附作用的能力。但當pH值小于4時，殼聚糖會出現部分溶解現象，影響后續處理過程，因此吸附的最佳pH值為4[9]。

2.6 攪拌速率對脫色率的影響

取5份質量濃度為30 mg/L的酸性品紅溶液各50 mL，調節pH值為4，在不同攪拌速率下吸附80 min后，結果見圖6。

圖6 攪拌速率對脫色率的影響

由圖6可知，當攪拌速率為100 r/min時，其脫色率最高。隨著攪拌速率的增加，酸性品紅溶液的脫色率總體呈下降趨勢。這是因為如果攪拌速率過快，則會將能夠沉降的顆粒變成不能沉降的顆粒，從而降低絮凝效果，如果攪拌速率過慢，則會使絮凝劑和固體顆粒不能充分接觸，從而不利于絮凝劑吸附膠體顆粒，而且絮凝劑的濃度分布不均勻，不利于發揮絮凝作用[10]。

2.7 正交試驗

綜合考慮單因素試驗結果，設計以吸附時間、溶液pH值、殼聚糖用量、酸性品紅溶液初始質量濃度等四因素三水平的正交試驗，正交試驗因素水平如表1所示，試驗結果如表2所示。

從表2中可以看出，四個因素對酸性品紅溶液脫色率的影響順序為pH值＞殼聚糖用量＞酸性品紅溶液初始質量濃度＞吸附時間。殼聚糖吸附酸性品紅的最佳工藝條件為A2B2C2D2，即殼聚糖0.4 g，溶液pH值為4，酸性品紅溶液初始質量濃度為30mg/L,吸附時間為80 min。在最佳工藝條件下進行吸附脫色實驗，其脫色率為96.8%。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交試驗結果

3 結論

單因素試驗優選了吸附時間、殼聚糖用量、pH值、酸性品紅溶液初始質量濃度、溫度及攪拌速率等。在此基礎上進行了四因素三水平的正交試驗，試驗結果表明，殼聚糖吸附酸性品紅的主要影響因素是pH值和殼聚糖的用量；殼聚糖吸附酸性品紅的最佳工藝條件為：酸性品紅溶液的初始質量濃度為30 mg/L、pH值為4，殼聚糖投加量為0.008 g/mL（0.4 g/50 mL），吸附時間為80 min，此時殼聚糖對酸性品紅溶液的吸附脫色率達到96.8%。

[1] 戴日成,張統,郭茜,等.印染廢水水質特征及處理技術綜述[J].工業給排水,2000,26(10):33-37.

[2] 范迪.印染廢水處理機理與技術研究[D].青島:中國海洋大學,2008:6-8.

[3] 朱虹,孫杰,李劍超.印染廢水處理技術[M].北京:中國紡織出版社,2004:238-338.

[4] Gandjidoust H,Tatsumi K,Yamagishi T,et al.Effect ofsynthetic and natural coagulant on lignin removal from pulp and paper wastewater[J].Water Science and Technology,1997, 35(2-3):291-296.

[5] 陳湘.殼聚糖的改性及其在印染廢水處理中的應用[D].蘇州:蘇州大學,2008:6-7.

[6] 張艷雅,馬啟敏.殼聚糖改性吸附劑的制備及其吸附性能研究[J].中國海洋大學學報,2006,10(5):153-156.

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[8] Walker G M,Weatherley L R.Adsorption of acid dyes onto granular activated carbon in fixed beds[J].Water Research, 1997,31(8):2093-2101.

[9] Smith B.Decolorizing dye wastewater using chitosan[J]. American DyestuffReporter,1993,82(10):18-36.

[10] 王明力.具有抗菌功能的殼聚糖復合膜研究及應用[D].貴陽:貴州大學,2008:1-2.

Study on Adsorption of Acid Fuchsin onto Chitosan

Hu Qiaokai Deng Zhenli Chen Dan

Discussed the factors that affect chitosan absorbing acid fuchsin,optimized the adsorption time,chitosan amount,pH value and initial mass concentration of acid fuchsin solution,adsorption temperature,stirring rate and so on by single factor tests.And then the orthogonal test of four-factor and three-level was done.The optimal adsorption conditions of acid fuchsin onto chitosan were listed as follows:the initial mass concentration of the acid fuchsine solution was 30 mg/L, the pH value of acid fuchsine solution was 4,the mass concentration of chitosan was 0.008 g/mL and the absorption time was 80 min.Under above conditions,the adsorption decolorization rate reached 96.8%.

Chitosan;Absorption;Acid fuchsin;Decolorization rate

X703

2014年8月

胡巧開女1965年生副教授主要從事環境工程的教學與研究工作