高錳酸鉀改性山棕絲對Pb（Ⅱ）吸附性能的研究

陳 勁，蔣新元，楊振飛，張 舸，賈繼朝

（中南林業科技大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

高錳酸鉀改性山棕絲對Pb（Ⅱ）吸附性能的研究

陳 勁，蔣新元，楊振飛，張 舸，賈繼朝

（中南林業科技大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

以山棕絲為原料，采用高錳酸鉀回流氧化法對其改性，通過單因素實驗及正交實驗優化確定最優改性工藝，制備對Pb（Ⅱ）具有良好吸附能力的生物吸附材料。結果表明，高錳酸鉀改性山棕絲最優工藝為：反應溫度60℃，反應時間4 h，高錳酸鉀溶液濃度0.08 mol/L，pH值3；吸附性能研究表明，由最優工藝制備的改性山棕絲在常溫下對400 mg/L Pb（Ⅱ）溶液的最大吸附量為85.85 mg/g，為未改性山棕絲的8.42倍；吸附動力學研究表明，改性山棕絲對Pb（Ⅱ）的吸附符合準二級動力學方程，為速率受限過程。采用傅立葉紅外光譜（FT-IR）對改性前后山棕絲結構進行表征，結果表明：高錳酸鉀的強氧化性使得山棕絲纖維表面產生了較多的羧基，增加了其表面的吸附位點，從而使改性山棕絲對 Pb（Ⅱ）的吸附能力大幅提高。

山棕絲；Pb（Ⅱ）；吸附材料；吸附性能

隨著工業化與城市化進程的不斷加快，大量工業廢水尚未處理達標就排放至自然水域，引起嚴重的重金屬污染［1-2］，其中，鉛是一種危害性極強的重金屬，能參與食物鏈循環并最終在人體內積累，危害人體健康［3］。對含重金屬離子的廢水，傳統的處理方法主要包括化學沉淀法、蒸發回收法、離子交換法、電解法和吸附法等［4-8］，其中，吸附法被認為是處理水體中重金屬離子最理想的方法，而吸附劑的選擇則是吸附法優劣的關鍵，因此，尋找廉價的重金屬吸附材料至關重要。生物質吸附劑具有突出優勢［9-10］，如原料來源廣泛、價格低廉等，隨著可持續發展理念的深入人心，生物質吸附材料［11-12］已成為國內外重金屬污染處理的一個研究熱點，如萬順利等［13］采用原味沉積技術，制備了復合材料茶葉基水合氧化鐵（HFO-TW），對Pb（Ⅱ）的理論最大吸附容量為89.43 mg/g；吳亞男［14］研究了板栗殼對土壤中Cr6+、Pb2+、Zn2+、Cu2+的吸附機理與影響因素，結果表明pH對吸附反應影響最大。

山棕是中國南方特有的林業資源，具有良好的耐水性，同時也具有不錯的彈性和機械性能，可以編織成網狀、刷狀、氈狀等［15］，能在水體中穩定存在，且便于回收再利用，是一種潛在的生物質吸附劑。邱會東等［16］采用NaOH溶液對棕樹皮進行改性，但改性后棕樹皮對Pb（Ⅱ）的吸附容量為4.1 mg/g，尚不具備實用價值。本試驗采用高錳酸鉀回流法對山棕絲進行改性，得到一種性能優良的改性山棕絲重金屬吸附材料，并確定改性的最優工藝條件，以期為實現資源的可持續發展與綜合利用提供一種新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

山棕絲（云南省景東彝族自治縣慶康土產有限責任公司），KMnO4（分析純，國藥集團化學試劑沈陽有限公司），Pb（NO3）2（分析純，上海國藥集團）。

SB-5200D超聲波清洗機，寧波新芝生物科技股份有限公司；HH-S1s數顯電熱恒溫水浴鍋，金壇市大地自動化儀器廠；101-2A型電熱鼓風干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；SHA-C水浴恒溫振蕩器，湖南省力辰儀器科技有限公司；TAS-990原子吸收分光光度計，北京市普析通用儀器有限責任公司；FW100高速萬能粉碎機，上海楚定分析儀器有限公司；Nicolet iS10 FT-IR紅外光譜分析儀，上海精密儀器儀表有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 山棕絲預處理 將山棕絲在水中浸泡3 h，用毛刷對其表面進行刷洗，然后用去離子水清洗3遍，于60℃下恒溫烘干至恒重。將干燥的山棕絲剪成1 cm2左右的片狀，置于干燥的自封袋中封存備用。

1.2.2 pH對Pb2+吸附量的影響 稱取3 g干燥的山棕絲于250 mL的圓底燒瓶中，分別加入pH=0、1、2、3、4、5、6的 0.04 mol/L KMnO4溶液各100 mL，在60℃恒溫水浴條件下回流反應2 h。將改性完成后的樣品取出，用去離子水反復清洗至中性，置于60℃下烘干至恒重。準確稱取以上7種改性后的樣品各0.5 g置于250 mL錐形瓶中，分別加入濃度為200 mg/L的Pb2+溶液各100 mL，并在25℃下恒速（100 r/min）振蕩2 h。

1.2.3 KMnO4濃度對Pb2+吸附量的影響 稱取3 g干燥的山棕絲于250 mL的圓底燒瓶中，分別加入pH=3、濃度分別為0、0.01、0.02、0.04、0.08、0.12 mol/L的KMnO4溶液各100 mL，然后在60℃恒溫水浴條件下回流反應2 h。將改性完成后的樣品取出，用去離子水反復清洗至中性，置于60℃下烘干至恒重。準確稱取以上6種改性后的樣品各0.5 g進行吸附試驗，步驟同1.2.2。

1.2.4 反應溫度對Pb2+吸附量的影響 稱取3 g干燥的山棕絲于250 mL的圓底燒瓶中，加入pH=3、濃度為0.04 mol/L的KMnO4溶液各100 mL，然后分別在 25、40、60、75、90℃恒溫水浴條件下回流反應2 h。將改性完成后的樣品取出，用去離子水反復清洗至中性，置于60℃下烘干至恒重。準確稱取以上6種改性后的樣品各0.5 g進行吸附試驗，步驟同1.2.2。

1.2.5 反應時間對Pb2+吸附量的影響 稱取3 g干燥的山棕絲于250 mL的圓底燒瓶中，分別加入pH=3、濃度為0.04 mol/L的KMnO4溶液各100 mL，然后在60℃恒溫水浴條件下回流1、1.5、2、3、4 h。將改性完成后的樣品取出，用去離子水反復清洗至中性，置于60℃下烘干至恒重。準確稱取以上6種改性后的樣品各0.5 g進行吸附試驗，步驟同1.2.2。

1.2.6 正交試驗 為進一步確定山棕絲改性的最佳工藝，參照單因素試驗結果，設計4因素3水平的正交試驗（表1）。

表1 正交試驗各因素水平設置

1.3 吸附動力學試驗

準確稱取改性山棕絲0.5 g，置于250 mL的錐形瓶中，加入400 mg/L的Pb2+溶液100 mL，調節pH=5，密封，在25℃下恒速（100 r/min）振蕩，分別于 0.5、1、1.5、2、2.5、3、4 h測量溶液中Pb2+的即時濃度。

吸附劑的吸附效果采用吸附量來進行衡量，計算公式為：

式中，Qe為吸附材料的平衡吸附量（mg/g），C0為重金屬初始質量濃度（mg/L），Ce為吸附后重金屬的質量濃度（mg/L），V為溶液體積（L），m為改性吸附材料的質量（g）。

1.4 材料表征

采用傅里葉紅外光譜（FT-IR）對改性前后的山棕絲進行表征，觀察改性前后表面官能團的差異。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗探究改性最佳工藝

2.1.1 pH對Pb2+吸附量的影響 由反應pH值與改性山棕絲對Pb2+吸附量的關系（圖1）可知，其他條件一定的情況下，在酸性環境中，改性山棕絲對Pb2+的吸附量隨pH值的減小先增大后減小。這是由于在酸性條件下，KMnO4溶液的氧化性得到增強，山棕絲纖維上的羥基更易被氧化，產生了較多的羧基，有利于改性山棕絲對Pb2+的吸附作用；而當溶液的酸性過強時，會水解山棕絲的主要成分纖維素，使其表面的羧基數目減少，改性山棕絲對Pb2+的吸附量隨之降低。由此可知，對山棕絲改性時溶液的pH應適中，以pH=3左右時改性效果較好。

圖1 pH值對Pb2+吸附量的影響

2.1.2 KMnO4濃度對Pb2+吸附量的影響 溶液中KMnO4濃度與Pb2+吸附量的關系如圖2所示。由圖2可知，在其他條件一定的情況下，改性山棕絲對Pb2+的吸附量隨著KMnO4濃度的增大而不斷增大，并且當KMnO4濃度增加到0.04 mol/L以后，改性山棕絲對Pb2+吸附量的增加趨緩。這是由于KMnO4濃度較低時，氧化反應進行得不完全，改性山棕絲表面羧基含量低，吸附過程中與Pb2+的活性結合位點數量少，吸附效果不理想；而當KMnO4濃度增大到一定范圍后，此時改性山棕絲表面羧基數量已經接近飽和，無法通過酸性KMnO4溶液的氧化繼續增加。

圖2 KMnO4濃度對Pb2+吸附量的影響

2.1.3 反應溫度對Pb2+吸附量的影響 反應溫度與Pb2+吸附量的關系如圖3所示。由圖3可知，在其他條件一定的情況下，改性山棕絲對Pb2+的吸附量隨著反應溫度的增大先增大后減小，且當溫度為60℃時，改性山棕絲對Pb2+的吸附量最大，這是由于隨著反應溫度的增大，山棕絲表面部分難以氧化的羥基得以氧化，羧基含量進一步增加，對Pb2+的吸附量增加；當反應溫度大于60℃時，改性山棕絲對Pb2+的吸附量隨著反應溫度的增大而逐漸減小，這是由于溫度過高時，山棕絲所含纖維素部分降解，羥基的氧化率降低，羧基數量減少，對Pb2+的吸附量降低。

圖3 反應溫度對Pb2+吸附量的影響

2.1.4 反應時間對Pb2+吸附量的影響 反應時間與改性山棕絲對Pb2+的吸附量的關系如圖4所示。由圖4可知，在其他條件一定的情況下，改性山棕絲對Pb2+的吸附量隨反應時間的增大而不斷增大，但當反應時間達到2 h后，對Pb2+吸附量的增大已不明顯，此時KMnO4溶液與山棕絲的氧化過程已經基本完成，山棕絲表面的羥基幾乎全部氧化為羧基，繼續增加反應時間已無法增加改性山棕絲上羧基的數量，對Pb2+的吸附量不再改變。

圖4 反應時間對Pb2+吸附量的影響

2.2 改性最佳工藝正交試驗

為進一步確定山棕絲改性的最佳工藝，參照單因素實驗結果，設計4因素3水平（A 為反應溫度，B為反應時間，C為KMnO4濃度，D為溶液pH）的正交試驗，結果如表2所示。由表2可知，改性山棕絲的最佳工藝為：A2B4C2D3，即反應溫度為60℃，反應時間為4 h，溶液中KMnO4濃度為 0.08 mol/L，pH=3。

直觀分析可知，制備條件中對改性山棕絲吸附性能的影響依次為：RD＞RA＞RB＞RC，即對山棕絲改性吸附性能影響最大的因素是溶液pH值，其次分別是反應溫度和KMnO4濃度，反應時間對改性山棕絲的吸附性能影響最小。根據方差分析，F（pH）＞F0.25，說明KMnO4溶液的pH值對改性山棕絲的吸附性能有一定影響。

用未改性的山棕絲在相同吸附條件下重復吸附試驗，其對Pb（Ⅱ）吸附量的平均值僅為8.52 mg/g。在最佳工藝條件下制備改性山棕絲若干，重復對Pb（Ⅱ）的吸附試驗，其對Pb（Ⅱ）吸附量的平均值為71.73 mg/g，高于任一正交試驗組的吸附量，證明該工藝條件確實為最佳工藝條件。

表2 正交試驗結果

2.3 吸附動力學

圖5 吸附時間對Pb2+吸附量的影響

由圖5可知，改性山棕絲對Pb2+的吸附過程分為3個階段，0～90 min為快速吸附階段，此時，改性山棕絲表面存在大量活性吸附位點；90～150 min為慢速吸附階段，改性山棕絲表面的大部分活性吸附位點被Pb2+占據；150 min以后為吸附平衡階段，改性山棕絲表面的活性吸附位點全部被結合，在此階段，改性山棕絲對Pb2+的吸附量達到最大。

為了研究改性山棕絲對Pb2+的吸附動力學，用準一級動力學方程和準二級動力學方程對圖5曲線予以擬合，得到表3的相關參數。從表中的數據可以看出，準二級動力學方程模型具有更高的相關系數（R2＞0.99），由此可知：改性山棕絲對Pb2+的吸附符合準二級動力學方程，說明該吸附行為在一定濃度范圍內，其吸附速率與吸附質濃度的平方成正比。但由于吸附劑表面的活性結合位點數量有限，因而其吸附速率的增長受到限制，且存在一個最大吸附速率。

2.4 紅外光譜的表征

由圖6可知，在1 750 cm-1和1 250 cm-1等處的C=O鍵的振動吸收峰面積變寬，相對強度增加，說明改性后的山棕絲中羰基數量增多，同時波長在3 000 cm-1～3 400 cm-1范圍內羥基特征吸收峰的相對強度增加，峰形變寬，結合羰基數量增加推測是由改性后產生的羧基作用所致。在波數為550 cm-1處的峰面積增加顯著，說明C-X與C-H等鍵的數量在高錳酸鉀的強氧化性下顯著增加。綜上可以證明山棕絲已經改性成功，山棕絲纖維素表面的羥基較多被氧化為羧基，產生了更多活性吸附位點［17］，對重金屬離子的吸附結合性能增強，對水中 Pb2+的吸附量明顯提高。

圖6 改性山棕絲與未改性山棕絲的紅外光譜

表3 準一級、準二級動力學方程模擬參數

3 結論

本試驗結果表明，高錳酸鉀回流氧化法改性山棕絲的最優制備工藝條件為：反應溫度為60℃，反應時間為4 h，KMnO4溶液濃度為0.08 mol/L，pH值為3，在該工藝條件下所制備的改性山棕絲在298 K下對Pb2+溶液的最大飽和吸附量為71.73 mg/g，其效果為未改性山棕絲對Pb（Ⅱ）吸附量的8.42倍；改性山棕絲對Pb（Ⅱ）的吸附符合準二級動力學方程，說明在一定濃度范圍內，其吸附速率與吸附質濃度的平方成正比。

經紅外光譜圖分析證實，改性山棕絲對Pb（Ⅱ）吸附能力的提高主要取決于于山棕絲表面羧基數量的增多，使其表面的Pb（Ⅱ）活性結合位點增多，進而增強了其對Pb（Ⅱ）的吸附結合能力。

改性山棕絲是一種綠色環保、成本低廉、性價比高、吸附性能優異的生物質吸附劑，在處理工業廢水的重金屬離子方面具有良好的應用前景。

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Modification of palm by potassium permanganate and its adsorption of Pb（Ⅱ）

CHEN Jin，JIANG Xin-yuan，YANG Zhen-fei，ZHANG Ge，JIA Ji-chao
（College of Material Science and Engineering，Central South University
of Forestry Technology，Changsha 410004，China）

In order to obtain adsorption material with excellent adsorption properties for Pb （II），palm was used as raw material，and its structure was modified by refluxing of potassium permanganate. The optimum experiment was carried out by single factor experiments and orthogonal experiment. The biological adsorbent with great adsorption capacity of Pb（Ⅱ） was prepared. The results showed that the optimum conditions of modification were as follows：the reaction temperature was 60℃，the reaction time was 4 h，the concentration of potassium permanganate solution was 0.08 mol/L，pH value was 3. Study on adsorption performance showed that，at ordinary temperature，the maximum adsorption capacity of the modified palm by the optimum preparation process of Pb（Ⅱ）was 85.84 mg/g in 400 mg/L Pb（Ⅱ） solution，which was 8.42 times of the unmodified palm’s adsorption capacity.The results of dynamic adsorption experiment indicated that the adsorption process of Pb（Ⅱ） by modified palm was in accordance with the pseudo two order kinetic equation model，which was a rate limited adsorption process. The structure was characterized by Fourier transform infrared （FT-IR），the analysis of FT-IR showed that the strong oxidizing property of potassium permanganate produced a lot of carboxyl groups on the surface of palm and increased the adsorption sites，so that the adsorption capacity of modified palm for Pb（Ⅱ） was improved significantly.

palm；Pb（Ⅱ）；adsorbing material；adsorption property

X52

A

1004-874X（2017）07-0053-06

陳勁，蔣新元，楊振飛，等. 高錳酸鉀改性山棕絲對Pb（Ⅱ）吸附性能的研究［J］.廣東農業科學，2017，44（7）：53-58.

2017-04-28

湖南省高等學校木竹資源高效利用協同創新中心項目 （湘教通［2015］351號）

陳勁（1997-），男，在讀本科生，E-mail：18670680738@163.com

蔣新元（1968-），男，博士，教授，E-mail：jxycsfu@126.com

（責任編輯 鄒移光）