香蕉假茎吸附剂处理工业废水的研究

工程3（2017）409研究绿色化工-文章香蕉假茎吸附剂Shridhar S Bagalia，*，Bychapur S.作者：Gowrishankarb.Royc，*aSiddaganga Institute of Technology，Tumkur，Karnataka 572 103，Indiab印度卡纳塔克邦图姆库尔Siddaganga理工学院生物技术系，邮编：572 103c亚的斯亚贝巴科技大学工业化学系，埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴16417ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2017年1月2日收到2017年5月9日修订2017年5月13日接受2017年6月13日在线发布保留字：香蕉假茎铅等温吸附响应面法香蕉假茎等天然吸附剂对废水中重金属元素的去除具有重要作用重金属元素的去除一直困扰着主要的水资源和化工行业。这项工作证明了利用天然材料处理各种废水的潜力采用环境扫描电子显微镜（ESEM）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）对香蕉假茎粉吸附铅（II）前后的特性进行了研究。使用从水溶液中去除铅（II）的间歇过程进行实验吸附动力学的影响进行了研究，通过改变各种参数，如初始pH值，吸附剂用量，初始铅离子浓度，和接触时间。结果表明，香蕉假茎粉末的零电荷点（PZC）在pH 5.5下实现。实验数据进行了分析，使用等温线和动力学模型。香蕉假茎粉对Pb（II）的吸附符合Langmuir吸附等温式。吸附容量为34.21mg·g采用响应面法确定了最佳工艺条件最大去除率为89%。© 2017 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍化学工业的废水被排放到环境中，造成严重的水资源短缺，并因由此产生的环境问题而导致许多疾病。许多传统方法可在一定程度上减少或去除废水中的重金属[1，2]。然而，大多数不发达国家和发展中国家在向公众提供优质饮用水方面面临严重问题[3]。饮用水中重金属离子的存在导致饮用水水质不佳，对人体健康和生态系统造成了巨大的危害。重金属污染严重影响自然动植物[4主要的铅生产化学加工工业排放的大部分污染物是由电镀化学品和金属氧化物组成的CALS、医药化学品和电化学。铅具有剧毒性，对生物多样性具有极其不利的影响在成本、污水处理和安全问题方面，除铅工艺目前对环境科学家和工程师来说是一项具有挑战性的任务[1，8]。各种传统的水处理方法，如电镀，沉淀，蒸发，膜分离，离子交换，凝聚，浮选，反渗透，溶剂萃取，膜过滤和吸附，以及不同的生物过程，用于从废水中回收金属[9，10]。大多数这些常规方法是非常费力和耗能的;此外，它们的使用仅限于间歇过程。因此，研究的重点应该是连续工艺和放大，并满足二次或三次污泥处理的要求。* 通讯作者。电子邮件地址：shridhar. gmail.com;aashisroy@gmail.comhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.03.0242095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng410S.S. Bagali等人/工程3（2017）409为了克服上述困难，开发一种有效的、成本有效的、环境友好的和连续的除铅方法是极其必要的。在文献综述的基础上，发现农业废弃物已被用作去除重金属的吸附剂。一般来说，用于去除重金属的农业剩余物是小麦、大米、燕麦、大麦和玉米皮。目前，人们的环保意识和对污水排放这些因素有力地促进了每隔20 min收集样品，过滤，以2000 r·min铅吸收值使用公式（Eq.(1)[18].所有实验一式两份进行。 开发具有成本效益的替代技术[11，12]。在可用的常规处理方法中，吸附是去除率100%Ce（一）由于其对广泛范围的污染物的效用、其总容量和其选择性，因此是从各种工业废水中去除重金属的潜在方法近年来，重金属去除技术其中Ce表示平衡时溶液中铅离子的浓度，Co表示铅离子的初始浓度。吸附容量（qe）使用Eq. （二）、V通过使用广泛的吸附剂，这些吸附剂是商业吸附剂的良好替代品[13qeCCeW（二）本研究的目的是确定香蕉假茎粉吸附铅（II）时，初始pH值、吸附剂用量、利用软件进行实验，以确定去除硝酸铅（Pb（NO3）2）的最佳条件。响应面法（RSM）和中心复合设计（CCD）被认为是最好的统计优化工具，因为他们预测最好的输出与最低数量的实验。2. 材料和方法2.1. 香蕉假茎制备吸附剂的香蕉假茎样品采自当地农业栽培场。将收集的香蕉假茎样品切成5mm大小的块。接下来，使用普通水彻底清洗块，然后再次使用软化水彻底清洗，以去除泥和其它外来颗粒。随后，将材料风干以除去表面游离水，并在105 °C下置于热空气烘箱中24小时。最后，使用500 μm的筛目尺寸对材料进行筛分。将其收集并储存在气密容器中用于进一步实验。2.2. 储备液制备使用分析级Pb（NO3）2制备铅离子浓度范围为10 ppm至50 ppm的溶液。配制0.1N（1 N =（1 mol·L-1）~（-1）mol·L-1）的 HCl和NaOH缓冲液2.3. 间歇吸附法使用分批吸附方法进行实验，以确定在固定pH值为6的条件下，达到10 ppm至50 ppm浓度范围内的最大吸附所需的最佳时间以香蕉假茎粉（1g·L其中V是水溶液的体积（以L计），W是吸附剂的质量（以g计）。2.4. 优化实验设计实验设计考察了去除Pb（NO3）2的三个因素：初始pH值、吸附剂投加量、初始铅离子浓度和接触时间。使用CCD设计编码和未编码水平，如表1所示。表2列出了使用CCD获得的实验组。2.5. 分析与优化采用响应面法对结果进行分析，考察了初始pH、吸附剂投加量和铅离子初始浓度3个因素对硝酸铅去除率的综合影响使用方差分析（ANOVA）研究F检验使用所得结果生成表面图，通过RSM运行2.6. 表征在分光光度计（PerkinElmer，PE 1600）上在KBr介质（样品与KBr的比率为1： 5）中在400-4600 cm-1的波数范围内记录样品的傅里叶变换红外（FTIR）光谱在金基底上使用环境扫描电子显微镜（ESEM）（FEI，Quanta 200）研究用重金属离子处理之前和之后的香蕉假茎的表面形态3. 结果和讨论3.1. 零电荷零电荷点（PZC）在吸附物的表征中起着重要作用，并解释了吸附物对吸附剂表面的亲和力。如参考文献[17]中所述，在一定pH范围表1实验范围和水平的初始pH值，初始铅离子浓度，和吸附剂的剂量在CCD。可变参数水平−α−10+1个+αX1初始pH1.2955235.589.70448X2初始铅离子浓度（mg·L12.95523055.08097.0448X3吸附剂用量（g·L0.31820712.033.68179S.S. Bagali等人/工程3（2017）409411从2到10不等。香蕉假茎粉的PZC在pH 5.5下观察到。该结果表明，在低于5.5的pH下，香蕉假茎粉末的表面显示正电荷，而在高于5.5的pH下，表面显示负电荷。3.2. 扫描电镜分析用环境扫描电镜（ESEM）分析了500 μm香蕉假茎粉的表面特征。如图1所示，发现材料的性质和表面非常适合吸附前后的吸附研究。香蕉假茎粉末的纤维间表面性质强烈地增加了对重金属的总吸附表面积。3.3. 傅里叶变换红外分析图图2显示了对香蕉假茎粉末进行的FTIR分析，包括在3750 cm-1至2275 cm-1范围内的拉伸振动和羟基的其它聚合物缔合。在2900 cm-1处的对称伸缩在878cm-1和775 cm-1处观察到芳香基团的C-H键的角变形FTIR分析表明，在1650-1337 cm-1和1243-1028 cm-1范围内的峰是由于C=C，C=O，C-C，- OH，- CH 2，- CH，和碳氧碳振动。香蕉假茎粉的FTIR结果揭示了各种官能团的存在，表明半纤维素、纤维素和木质素，表明醚和芳香特性。结果表明，香蕉假茎粉末含有官能团，为生物吸附剂和金属离子之间的相互作用创造了合适的环境[19]。3.4. 初始pH值在吸附过程中，pH是一个相关参数，它为吸附剂表面的最大吸附提供了合适的条件。 图 3显示在pH 6之前硝酸铅的吸附增加;然后吸附随着pH的增加而减少。吸附表2一组20个实验，三个参数的组合号初始pH初始铅离子浓度（mg·L-1）吸附剂投加量（g·L-1）硝酸铅去除率（%）实验预测13.030.001.00636628.030.001.00716733.080.001.00807548.080.001.00586353.030.003.00797268.030.003.00727573.080.003.00727488.080.003.00706591.355.002.007173109.755.002.006765115.512.962.007272125.597.042.007171135.555.000.327169145.555.003.687476155.555.002.009088165.555.002.008988175.555.002.008988185.555.002.008788195.555.002.008988205.555.002.008988图1.一、 香蕉假茎粉吸附铅（II）前后的环境扫描电镜照片（a）。412S.S. Bagali等人/工程3（2017）409采用间歇吸附法，在固定条件下，吸附剂投加量为1g·L3.5. 吸附剂用量的影响吸附剂用量对硝酸铅的吸附有重要影响。随着剂量的增加，存在更多的活性位点，增加与金属离子的相互作用，从而增加金属离子的吸附。实验中，吸附剂投加量为0.2 ~固定参数为初始pH值为6，接触时间为3.7.吸附等温线吸附 能力 进行 了研 究， 使 用不 同的吸 附等 温线 模型 ， 即，Langmuir和Freundlich模型。用这两个模型对吸附实验数据进行了关联。大多数文献研究表明，朗缪尔吸附等温线广泛用于发生在均相吸附剂的特定位点的吸附。一旦吸附物分子占据一个位置，由于达到平衡，吸附就不能当量(3)Langmuir线性方程描述了单层曲线的饱和度：C1C60分钟，初始铅离子浓度为10 ppm。如图所示埃什基耶（三）在图4中，当吸附剂投加量为1g·L3.6.初始铅离子浓度和接触时间研究了铅离子初始浓度和接触时间对硝酸铅最大吸附量的综合影响。实验结果表明，当铅离子初始浓度为10 ~ 50 ppm，吸附时间为20 ~ 120 min，吸附剂投加量为1g·L-1，pH值为6时，硝酸铅的去除率最高如图 结果表明，硝酸铅的吸附率降低qeQobQo式中Ce（mg·L-1）表示平衡时溶液中铅离子的浓度平衡，qe绘制的截距可用于计算Ce/qe对Ce的曲线，该曲线给出直线。由此，可以确定Qo和B. 平衡参数RL是一个无因次常数，是Langmuir模型的一个基本特征，它可以预测吸附系统的可吸附性或不可吸附性使用Eq. (4)[181随着离子浓度的增加，硝酸铅的吸附百分率随着接触时间的增加而增加。L 100bC（四）图二、 香蕉假茎粉（a）吸附铅（II）之前和（b）之后的FTIR光谱。图三. 初始pH值对吸附的影响。见图4。吸附剂投加量对吸附的影响。图五、 铅离子初始浓度和接触时间对吸附的影响。OS.S. Bagali等人/工程3（2017）409413eF e其中，Co表示初始浓度。该参数表明等温线的类型，其可以是不可逆的（R= 0）、有利的（0R 1）或不利的（R> 1）。通过绘制Ce/qe与Ce的关系图，获得了Langmuir吸附等温线。吸附铅离子的Qo和b值分别为34.21mg·gLangmuir吸附等温线的回归系数为0.9997Freundlich吸附等温线模型是描述非均相吸附过程的常用模型。上非均匀表面，吸附过程通过3.8. 吸附动力学在这里，吸附动力学解释使用两种模型：伪一级和伪二级动力学模型。以香蕉实验数据与准一级和二级动力学模型进行了相关。当量(7)描述了伪一级动力学模型[18K t多层吸附机制。弗罗因德利希吸附等温线由方程表示。（五）、logqeqtlogqe12.303（七）Q C1/n当量(6)给出了重新排列的线性方程[18logq logK1logCeFne（五）（六）其中K1表示伪一级动力学模型的反应速率常数（min然后，我们绘制log（qe− q t）与t的关系图，如图2所示。8.第八条。基于吸附容量的平衡选择伪二级动力学模型，如等式（1）所示（8）[18式中，qe为吸附容量（mg·g平衡时溶液中的离子浓度（mg·L为t1吨（8） q K q2 QFreundlich吸附，物理常数为KF（Freundlich吸附常数）和n（吸附强度常数）。斜率为n，截距为KF;如图7所示，发现这些值分别为2.25和8.024，Freundlich吸附等温线回归为0.97。实验结果表明，Langmuir吸附等温式比Freundlich吸附等温式更适合于此情况t2 e e式中K2表示反应速率常数（（g·mg绘制t/qt（min·（g·mg-1））与t（min）的关系图，如图1所示。9.第九条。表3报告了基于线性回归值的伪一级和伪二级动力学模型的比较结果。基于回归值，伪二阶见图6。水溶液中铅离子的朗缪尔吸附等温线图8.第八条。铅离子吸附的准一级动力学模型。图7.第一次会议。水溶液中铅离子的Freundlich吸附等温线。图9.第九条。铅离子吸附的准二级动力学模型。414S.S. Bagali等人/工程3（2017）4092 3 1 23动力学被发现比伪一级动力学更适合所获得的动力学。3.9. 响应面法注意事项。试验结果表明，硝酸铅的去除符合二阶多项式方程：Y188.812.18x0.49x 1.91x 3.12x1x 0.63x1x3对影响产品性能电话：+86-10 - 8888888传真：+86-10-88888888（九）采用CCD法从水溶液中最大限度地提取硝酸铅，进行了硝酸铅去除的试验。如表2所示，使用初始pH、初始铅离子浓度和吸附剂剂量的三种不同组合对20个实验进行软件运行。详细分析了初始pH、铅离子初始浓度和吸附剂投加量之间的交互作 用 对 硝 酸 铅 去 除 率 的 影 响 。 设 计 专 家 （ Stat-Ease ， Inc. ，Minneapolis，USA）软件，基于从回归和图形分析获得的结果来确定最佳条件。使用Design-Expert软件对多元回归数据进行分析。在某些条件表3动力学模型参数模型初始铅离子浓度（ppm）e其中Y1是硝酸铅去除方面的响应变量;x1（初始pH值）、x2（初始铅离子浓度）和x3（吸附剂剂量）是自变量的编码值结果符合二级动力学模型。”“善”是指善。(9)与决定系数（R2）相关，以测量总变异;相关系数（R）解释了模型的实验值和预测值之间的相关性。实验结果表明，硝酸铅的去除率R2结果解释了响应总变异的89.92%。硝酸铅去除的R为0.9482，其中R值越接近1越好。 表4显示了ANOVA结果。P值小于0.05表明模型拟合。图图10显示了三维重建的综合效果研究了初始pH值、初始铅离子浓度和吸附剂用量对硝酸铅去除率的影响。通过对初始pH值和铅离子初始浓度的综合研究，得到了吸附剂投加量为2.5g·L-1的最佳结果在较低的pH值和较低的铅离子浓度下，吸附百分比增加。的表4方差分析结果。R2准二级0.8981 0.97510.97720.8931 0.8336源平方和自由度均方FPK2（（g·mg0.0090 0.00300.00200.0013 0.0011型号1599.929177.779.920.0007qe（mg·g9.5 18.025.030.0 33.0剩余179.281017.93R20.9969 0.99620.99380.9729 0.9571共计1779.2019图10个。 不同参数对硝酸铅去除率影响的曲面图。（a）初始铅离子浓度和初始pH;（b）吸附剂投加量和初始pH;(c)吸附剂用量和铅离子初始浓度。1020304050准一级K1（最小值0.0390.0280.0250.0220.017q（mg·g6.0511.8115.0318.0019.78S.S. Bagali等人/工程3（2017）409415通过对初始pH值和吸附剂投加量的综合研究，得到了铅离子初始浓度为54 mg·L-1的最佳吸附效果增加pH值导致吸附百分比降低，而较低的pH值和高剂量导致更好的吸附百分比。吸附剂的用量和初始铅离子浓度对铅去除的影响的联合研究吸附剂用量和铅离子初始浓度的增加导致吸附百分率的降低。实验结果表明，较低的铅离子浓度和较高的投加量可使硝酸铅的去除率达到最大值。硝酸铅的最大去除率为89%。4. 结论研究了香蕉假茎粉去除水中Pb（II）的效果，得到了影响去除效果的最佳工艺参数。用环境扫描电镜（ESEM）观察了表面形貌，用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了表面官能团.研究了初始pH值、初始铅离子浓度和吸附剂投加量用三维响应解释了这一结果结果表明，当铅初始浓度为54 mg·L-1，吸附剂投加量为2.5g·L-1，pH为5.2时，铅的去除率最高铅（II）的最大去除率为89%。该方法成功地解释了初始pH值，初始铅离子浓度和吸附剂剂量的优化响应面图有助于理解这三个参数的相互作用。Langmuir吸附等温线被认为是最好的拟合模型的去除铅（II）的香蕉假茎粉末。动力学模型用准二级动力学模型能较好地解释。本实验工作建立了香蕉假茎粉作为一种廉价的吸附剂，可以被认为是在废水处理中去除重金属的替代品。确认这项研究得到了印度卡纳塔克邦图姆库尔Siddaganga技术研究所化学工程和生物技术系的遵守道德操守准则Shridhar S拜恰普尔？巴加利Gowrishankar和Aashis S.罗伊声明，他们没有利益冲突或财务冲突披露。引用[1] Ekebafe LO，Ekebafe MO，Erhuaga GO，Oboigba FM.反应条件对使用来自可再生材料的复合材料从水介质中吸收选定重金属的影响。Am J Pol Sci 2012;2（4）：67[2] [10]李晓，李晓.柳枝稷生物炭去除水中铜和镉的研究通过水热碳化工艺。JEnviron Manage 2012;109：61[3] 阮达华，郭文胜，张军，梁生，岳庆英，等。农业废弃物及其副产物对废水中重金属吸附去除的适用性。Biologyour Technol 2013;148：574[4] Bhattacharyya KG，Gupta SS.天然及改性高岭石和蒙脱石对几种重金属的吸附研究Adv Colloid Interface Sci 2008;140（2）：114-31.[5] Nadeema M，Shabbira M，Abdullahb MA，Shahc SS，McKay G.表面改性炭吸附剂对水溶液中镉的吸附。化学工程杂志2009;148（2-3）：365-70。[6] Karnitz O Jr，Gurgel LV，de Melo JC，Botaro VR，Melo TM，de Freitas GilRP，et al.化学改性甘蔗渣从水溶液中吸附重金属离子。Biological Technol 2007;98（6）：1291[7] Miretzky P，Cirelli AF. 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