一種改性西瓜皮吸附劑的製備方法與流程
2023-06-05 02:37:32 1
本發明涉及一種改性西瓜皮吸附劑的製備方法，屬於吸附劑材料製備技術領域。
背景技術：
隨著各種工業廢水的排放量日漸增加，人類健康和生態環境遭受的破壞也日益嚴重。印染廢水是加工棉、麻、化學纖維及其混紡產品為主的印染廠排出的廢水。其廢水中含有大量的有機物，排入水體會危害水環境，其廢水色澤深，嚴重影響水體外觀。目前處理染料廢水的方法有絮凝法、氣提法、氧化法、膜分離法、電解法和吸附法等。其中吸附法是較為有效的方法。由於目前常用的吸附劑為活性炭吸附劑，活性炭吸附劑吸附效果好，但其存在成本高，再生難等問題。所以採用廢棄農林生物質材料，如西瓜皮，並把它加工成一種吸附劑用於處理印染廢水具有理論和實際意義。
西瓜屬於葫蘆科，原產於非洲，果實外皮光滑，呈綠色或黃色，果瓤多汁為紅色或黃色。西瓜性寒、味甘，目前我國各地都有種植。它有清熱解暑、生津止渴、利尿除煩的功效。我國各地均有西瓜栽培，年產量在幾千萬噸以上。西瓜皮佔西瓜總量的1/3，一到盛夏季節，就被當作廢料和城市生活垃圾廢棄。現代研究表明，西瓜皮中富含胺基酸、蛋白質、果膠、維生素、微量元素等多種可食用和藥用成分，具有較高的利用價值。西瓜皮若能充分利用，可產生較好的經濟效益和社會效益。
西瓜皮，別名西瓜青、西瓜翠衣、西瓜翠，據相關研究表明，西瓜皮所含有的化學成分為總糖12755.6mg/kg、總酸1214.4mg/kg、蛋白質3383.6mg/kg、氮541.2mg/kg、單寧297mg/kg、鋰413.6mg/kg、鈉50.6mg/kg、鈣3.3mg/kg、鐵0.2mg/kg、磷3.3mg/kg、鋅0.04mg/kg和硼0.04mg/kg，總提取物約2％，還含有多種胺基酸，其中穀氨酸和賴氨酸含量較高。目前西瓜皮的綜合利用主要應用於食品加工方面、藥用方面、美容方面和飼料方面等。未見論文和專利中直接使用西瓜皮作為吸附劑用於吸附去除印染廢水的報導。
技術實現要素：
發明目的：本發明所要解決的技術問題是提供一種改性西瓜皮吸附劑的製備方法，該方法製得的西瓜皮吸附劑具有比表面積大、化學穩定性好、吸附效果好和易再生的優點，主要應用於吸附去除印染廢水中的橙黃染料。
為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案如下：
一種改性西瓜皮吸附劑的製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備西瓜皮粉末：將回收的西瓜皮切成塊置於去離子水中蒸煮1～3h，冷卻後將西瓜皮塊置於體積百分濃度為40％～60％的乙醇溶液中浸泡3～5h，浸泡後經清洗、烘乾、粉粹過80目篩得到西瓜皮粉末；
步驟2，將步驟1的西瓜皮粉末置於磷酸溶液中浸泡10～15h；其中，所述磷酸溶液的質量百分濃度為5％～10％；每克西瓜皮粉末，所需磷酸溶液的體積為50mL；
步驟3，將步驟2浸泡後的西瓜皮粉末用去離子水清洗至清洗後的出水pH為中性；
步驟4，往步驟3清洗後的西瓜皮粉末中加入去離子水和鹼溶液進行鹼化處理，其中，對於每克西瓜皮粉末，去離子水的加入量為100mL，鹼溶液的加入量為5/3～10/3mL；
步驟5，往步驟4鹼化後的西瓜皮粉末中加入十八烷基三甲基溴化銨，於50℃～70℃下水浴加熱3h～5h；對於每克西瓜皮粉末，十八烷基三甲基溴化銨的加入量為1～2g；
步驟6，將步驟5水浴加熱反應後的產物清洗至清洗後的出水pH為中性，再乾燥、粉碎即得到改性西瓜皮吸附劑。
其中，步驟1中，所述烘乾溫度為80℃～105℃。
其中，步驟4中，所述鹼化處理的時間為15min～30min。
其中，步驟4中，所述鹼溶液為1mol/L的氫氧化鈉溶液。
其中，步驟6中，所述乾燥溫度為60℃～80℃。
與現有技術相比，本發明技術方案具有的有益效果為：
本發明製備方法工藝簡單，製備成本低，原料易得；製得的吸附材料具有比表面積大、化學穩定性好、吸附效果好和易再生的優點；相比於同類吸附劑，本發明製得的吸附材料吸附效果更好，其對橙黃的吸附容量可達到225mg/g，具有很大的應用價值。
附圖說明
圖1為實施例3製得的西瓜皮吸附劑的掃描電鏡表徵圖；
圖2為實施例3製得的西瓜皮吸附劑吸附橙黃後的掃描電鏡表徵圖；
圖3為橙黃染料標線圖；
圖4為橙黃染料的紫外可見全掃描圖；
圖5實施例3製得的西瓜皮吸附劑對橙黃吸附效果受時間的影響結果圖；
圖6為實施例3製得的西瓜皮吸附劑對橙黃吸附受初始溶液濃度的影響結果圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案作進一步說明。
實施例1
本發明改性西瓜皮吸附劑的製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備西瓜皮粉末：將回收的西瓜皮上的紅色果肉部分清除，將清除了紅色果肉部分的西瓜皮切成面積為5平方釐米的小塊置於去離子水中蒸煮1h，冷卻後將西瓜皮塊置於體積分數50％(v/v)的乙醇溶液中浸泡5h，浸泡後採用去離子水清洗、並於80℃下烘乾、再粉粹過80目篩得到西瓜皮粉末；乙醇能夠消毒殺菌，防止農藥和其他物質對材料的影響；
步驟2，將6g西瓜皮粉末置於300mL質量百分濃度為8％的磷酸溶液中浸泡10h；將浸泡後的西瓜皮粉末用去離子水清洗至清洗後的出水pH為中性；磷酸能夠破壞細胞壁，使後續反應物更好的與材料反應；
步驟3，向3g清洗後的西瓜皮粉末中加入300mL去離子水，同時加入10ml濃度1mol/L的氫氧化鈉溶液處理20min；
步驟4，往鹼化後的西瓜皮粉末中加入十八烷基三甲基溴化銨，於60℃下水浴加熱3h；對於每克西瓜皮粉末，十八烷基三甲基溴化銨的加入量為1～2g；十八烷基三甲基溴化銨是帶正電荷的陽離子表面活性劑；陽離子表面活性劑與陰離子染料橙黃之間具有很強的靜電作用；
步驟5，將水浴加熱反應後的產物清洗至清洗後的出水pH為中性，置於60℃下烘乾、粉碎即得到改性西瓜皮吸附劑。
實施例2
本發明改性西瓜皮吸附劑的製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備西瓜皮粉末：將回收的西瓜皮上的紅色果肉部分清除，將清除了紅色果肉部分的西瓜皮切成面積為5平方釐米的小塊置於去離子水中蒸煮2h，冷卻後將西瓜皮塊置於體積分數60％(v/v)的乙醇溶液中浸泡3h，浸泡後採用去離子水清洗、並於105℃下烘乾、再粉粹過80目篩得到西瓜皮粉末；
步驟2，將6g西瓜皮粉末置於300mL質量百分濃度為5％的磷酸溶液中浸泡12h；將浸泡後的西瓜皮粉末用去離子水清洗至清洗後的出水pH為中性；
步驟3，向3g清洗後的西瓜皮粉末中加入300mL去離子水，同時加入8mL濃度1mol/L的氫氧化鈉溶液處理15min；
步驟4，往鹼化後的西瓜皮粉末中加入十八烷基三甲基溴化銨，於70℃下水浴加熱4h；對於每克西瓜皮粉末，十八烷基三甲基溴化銨的加入量為1～2g；
步驟5，將水浴加熱反應後的產物清洗至清洗後的出水pH為中性，置於80℃下烘乾、粉碎即得到改性西瓜皮吸附劑。
實施例3
本發明改性西瓜皮吸附劑的製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備西瓜皮粉末：將回收的西瓜皮上的紅色果肉部分清除，將清除了紅色果肉部分的西瓜皮切成面積為5平方釐米的小塊置於去離子水中蒸煮3h，冷卻後將西瓜皮塊置於體積分數40％(v/v)的乙醇溶液中浸泡4h，浸泡後採用去離子水清洗、並於105℃下烘乾、再粉粹過80目篩得到西瓜皮粉末；
步驟2，將6g西瓜皮粉末置於300mL質量百分濃度為10％的磷酸溶液中浸泡15h；將浸泡後的西瓜皮粉末用去離子水清洗至清洗後的出水pH為中性；
步驟3，向3g清洗後的西瓜皮粉末中加入300mL去離子水，同時加入5mL濃度1mol/L的氫氧化鈉溶液處理30min；
步驟4，往鹼化後的西瓜皮粉末中加入十八烷基三甲基溴化銨，於50℃下水浴加熱5h；對於每克西瓜皮粉末，十八烷基三甲基溴化銨的加入量為1～2g；
步驟5，將水浴加熱反應後的產物清洗至清洗後的出水pH為中性，置於60℃下烘乾、粉碎即得到改性西瓜皮吸附劑。
實施例4
本發明改性西瓜皮吸附劑的製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備西瓜皮粉末：將回收的西瓜皮上的紅色果肉部分清除，將清除了紅色果肉部分的西瓜皮切成面積為5平方釐米的小塊置於去離子水中蒸煮3h，冷卻後將西瓜皮塊置於體積分數50％(v/v)的乙醇溶液中浸泡4h，浸泡後採用去離子水清洗、並於80℃下烘乾、再粉粹過80目篩得到西瓜皮粉末；
步驟2，將6g西瓜皮粉末置於300mL質量百分濃度為8％的磷酸溶液中浸泡12h;將浸泡後的西瓜皮粉末用去離子水清洗至清洗後的出水pH為中性；
步驟3，向3g清洗後的西瓜皮粉末中加入300mL去離子水，同時加入8mL濃度1mol/L的氫氧化鈉溶液處理15min；
步驟4，往鹼化後的西瓜皮粉末中加入十八烷基三甲基溴化銨，於60℃下水浴加熱4h;對於每克西瓜皮粉末，十八烷基三甲基溴化銨的加入量為1～2g;
步驟5，將水浴加熱反應後的產物清洗至清洗後的出水pH為中性，置於70℃下烘乾、粉碎即得到改性西瓜皮吸附劑。
實施例5
本發明改性西瓜皮吸附劑的製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備西瓜皮粉末：將回收的西瓜皮上的紅色果肉部分清除，將清除了紅色果肉部分的西瓜皮切成面積為5平方釐米的小塊置於去離子水中蒸煮2h，冷卻後將西瓜皮塊置於體積分數40％(v/v)的乙醇溶液中浸泡4h，浸泡後採用去離子水清洗、並於90℃下烘乾、再粉粹過80目篩得到西瓜皮粉末；
步驟2，將6g西瓜皮粉末置於300mL質量百分濃度為8％的磷酸溶液中浸泡12h;將浸泡後的西瓜皮粉末用去離子水清洗至清洗後的出水pH為中性；
步驟3，向3g清洗後的西瓜皮粉末中加入300mL去離子水，同時加入10mL濃度1mol/L的氫氧化鈉溶液處理20min；
步驟4，往鹼化後的西瓜皮粉末中加入十八烷基三甲基溴化銨，於70℃下水浴加熱4h;對於每克西瓜皮粉末，十八烷基三甲基溴化銨的加入量為1～2g;
步驟5，將水浴加熱反應後的產物清洗至清洗後的出水pH為中性，置於70℃下烘乾、粉碎即得到改性西瓜皮吸附劑。
實施例6
本發明改性西瓜皮吸附劑的製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備西瓜皮粉末：將回收的西瓜皮上的紅色果肉部分清除，將清除了紅色果肉部分的西瓜皮切成面積為5平方釐米的小塊置於去離子水中蒸煮2h，冷卻後將西瓜皮塊置於體積分數60％(v/v)的乙醇溶液中浸泡4h，浸泡後採用去離子水清洗、並於80℃下烘乾、再粉粹過80目篩得到西瓜皮粉末；
步驟2，將6g西瓜皮粉末置於300mL質量百分濃度為10％的磷酸溶液中浸泡15h;將浸泡後的西瓜皮粉末用去離子水清洗至清洗後的出水pH為中性；
步驟3，向3g清洗後的西瓜皮粉末中加入300mL去離子水，同時加入8mL濃度1mol/L的氫氧化鈉溶液處理20min；
步驟4，往鹼化後的西瓜皮粉末中加入十八烷基三甲基溴化銨，於60℃下水浴加熱5h；對於每克西瓜皮粉末，十八烷基三甲基溴化銨的加入量為1～2g；
步驟5，將水浴加熱反應後的產物清洗至清洗後的出水pH為中性，置於60℃下烘乾、粉碎即得到改性西瓜皮吸附劑。
實施例7
本發明改性西瓜皮吸附劑的製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備西瓜皮粉末：將回收的西瓜皮上的紅色果肉部分清除，將清除了紅色果肉部分的西瓜皮切成面積為5平方釐米的小塊置於去離子水中蒸煮2h，冷卻後將西瓜皮塊置於體積分數50％(v/v)的乙醇溶液中浸泡3h，浸泡後採用去離子水清洗、並於80℃下烘乾、再粉粹過80目篩得到西瓜皮粉末；
步驟2，將6g西瓜皮粉末置於300mL質量百分濃度為10％的磷酸溶液中浸泡10h；將浸泡後的西瓜皮粉末用去離子水清洗至清洗後的出水pH為中性；
步驟3，向3g清洗後的西瓜皮粉末中加入300mL去離子水，同時加入8mL濃度1mol/L的氫氧化鈉溶液處理20min；
步驟4，往鹼化後的西瓜皮粉末中加入十八烷基三甲基溴化銨，於50℃下水浴加熱4h;對於每克西瓜皮粉末，十八烷基三甲基溴化銨的加入量為1～2g;
步驟5，將水浴加熱反應後的產物清洗至清洗後的出水pH為中性，置於70℃下烘乾、粉碎即得到改性西瓜皮吸附劑。
實施例8
本發明改性西瓜皮吸附劑的製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備西瓜皮粉末：將回收的西瓜皮上的紅色果肉部分清除，將清除了紅色果肉部分的西瓜皮切成面積為5平方釐米的小塊置於去離子水中蒸煮2h，冷卻後將西瓜皮塊置於體積分數40％(v/v)的乙醇溶液中浸泡4h，浸泡後採用去離子水清洗、並於80℃下烘乾、再粉粹過80目篩得到西瓜皮粉末；
步驟2，將6g西瓜皮粉末置於300mL質量百分濃度為10％的磷酸溶液中浸泡12h;將浸泡後的西瓜皮粉末用去離子水清洗至清洗後的出水pH為中性；
步驟3，向3g清洗後的西瓜皮粉末中加入300mL去離子水，同時加入8mL濃度1mol/L的氫氧化鈉溶液處理15min；
步驟4，往鹼化後的西瓜皮粉末中加入十八烷基三甲基溴化銨，於50℃下水浴加熱5h；對於每克西瓜皮粉末，十八烷基三甲基溴化銨的加入量為1～2g；
步驟5，將水浴加熱反應後的產物清洗至清洗後的出水pH為中性，置於60℃下烘乾、粉碎即得到改性西瓜皮吸附劑。
實施例9
本發明改性西瓜皮吸附劑的製備方法，包括如下步驟：
步驟1，製備西瓜皮粉末：將回收的西瓜皮上的紅色果肉部分清除，將清除了紅色果肉部分的西瓜皮切成面積為5平方釐米的小塊置於去離子水中蒸煮2h，冷卻後將西瓜皮塊置於體積分數50％(v/v)的乙醇溶液中浸泡5h，浸泡後採用去離子水清洗、並於80℃下烘乾、再粉粹過80目篩得到西瓜皮粉末；
步驟2，將6g西瓜皮粉末置於300mL質量百分濃度為5％的磷酸溶液中浸泡12h；將浸泡後的西瓜皮粉末用去離子水清洗至清洗後的出水pH為中性；
步驟3，向3g清洗後的西瓜皮粉末中加入300mL去離子水，同時加入8mL濃度1mol/L的氫氧化鈉溶液處理20min；
步驟4，往鹼化後的西瓜皮粉末中加入十八烷基三甲基溴化銨，於60℃下水浴加熱3h；對於每克西瓜皮粉末，十八烷基三甲基溴化銨的加入量為1～2g；
步驟5，將水浴加熱反應後的產物清洗至清洗後的出水pH為中性，置於80℃下烘乾、粉碎即得到改性西瓜皮吸附劑。
吸附實驗：本發明採用的染料為橙黃。稱取0.025g改性西瓜皮吸附劑加入50ml，濃度為200mg/L的橙黃溶液中；置於25℃恆溫振蕩箱中振蕩3小時，使其達到吸附平衡；採用可見-紫外分光光度計測其吸光度，通過橙黃標線換算得其濃度。按照(1)式計算吸附量。
其中，g：改性西瓜皮吸附劑對橙黃的吸附量(mg/g)；C0：初始橙黃濃度(mg/L)；Ce：吸附後橙黃濃度(mg/L)；V：含橙黃溶液體積(ml)；W：加入改性西瓜皮吸附劑的質量(g)。
利用實施例1～9製得的西瓜皮吸附劑以及活性炭吸附去除印染廢水中的橙黃，吸附實驗條件如下：
改性西瓜皮吸附劑的投加量為0.5g/L，活性炭的投加量為0.5g/L，橙黃染料廢液濃度為200mg/L，向廢水中分別投加實施例1～9的改性西瓜皮吸附劑和活性炭，置於25℃恆溫振蕩器中振蕩3h，振蕩速度為180rpm。待吸附達到平衡後，取出溶液，採用0.45μm的水系濾頭過濾，根據式(1)求出吸附量。
實施例1～9改性西瓜皮吸附劑和活性炭吸附橙黃染料溶液的吸附量如下表所示：
實施例3製得的西瓜皮吸附劑在不同條件下對橙黃染料的吸附實驗：
(1)吸附時間的影響：
稱取0.025g的改性西瓜皮吸附劑，投加到50ml濃度200mg/L的橙黃染料溶液中。採用25℃的恆溫振蕩箱，設置180rpm振蕩吸附0～360min。如圖5所示，改性西瓜皮吸附劑對橙黃染料的去除率和吸附量隨吸附時間的增加而增大，0～60min吸附速率很快，60～180min吸附速率減慢，180min後基本達到吸附平衡。(2)染料初始濃度的影響：
稱取0.025g的改性西瓜皮吸附劑，投加到50ml濃度為50～300mg/L的橙黃染料溶液中。採用25℃的恆溫振蕩箱，設置180rpm振蕩吸附3h。如圖6所示，改性西瓜皮吸附劑對橙黃染料的吸附量隨染料初始濃度的增加而增大，而去除率隨染料初始濃度的增加而減小，50～100mg/L去除率變化緩慢，100～150mg/L去除率變化加快，150～500mg/L去除率變化又變緩慢。